Принцип на самом деле довольно прост: при температуре выше 30 градусов по Цельсию металлический галлий является жидким, а ниже 30 градусов — твердым. Таким образом, если капля жидкого галлия помещается между двумя объектами, а затем охлаждается до температуры менее 30 градусов, слой галлия затвердевает и склеивает два объекта вместе. Когда приходит время разделить объекты, температура повышается, чтобы слой галлия перешел в жидкое состояние, и они могут быть разорваны с небольшим усилием разгрузки.
В качестве клея галлий действует аналогично горячему клею, широко используемому в домашних условиях. Разница в том, что в случае галлия достаточно меньше нагрева и охлаждения, он намного легче и аккуратно поднимается с поверхности, он хорошо воспроизводится и является электропроводным.В своих экспериментах ученые, работающие с Метином Ситти, директором Института интеллектуальных систем Макса Планка, смачивают кончик цилиндрического стержня из эластомера жидким галлием. Затем они привели каплю галлия в контакт с различными материалами, такими как стекло, пластик и золото.
После охлаждения наконечника до 23 градусов они обнаружили, что затвердевший галлий образует прочную связь между эластомером и каждым из материалов.Испытания на особо грубых или влажных поверхностях
Исследователи также провели прямые измерения эффективной связывающей способности галлия как в жидкой, так и в твердой фазах. «Поведение этих двух значений говорит нам кое-что об истинной обратимости и переключаемости процесса склеивания», — объясняет Метин Ситти. Чем больше разница в связывающей способности между жидким и твердым состояниями, тем легче обратить вспять и переключить адгезионный эффект.Команда сознательно проверила галлий на особенно грубых и влажных поверхностях. «Это состояние поверхности, которое проявилось в качестве основных недостатков обратимых микро / наноструктурированных клеев, предложенных недавно», — говорит Ситти. Как так?
Клеи, которые до настоящего времени демонстрировали сильные связывающие свойства на шероховатых или влажных поверхностях, всегда имели плохую обратимость. Не так с новым подходом к галлию. Команда из Штутгарта убедилась в его эффективности во влажных условиях, даже проверив его под водой. Его связывающая способность и обратимость во влажном состоянии были ниже по сравнению с сухими условиями, но они по-прежнему оставались относительно сильными для широкого спектра применений.
Применение везде, где требуется тщательная и обратимая адгезияМетин Ситти подчеркивает, что характеристики галлия во влажных условиях делают его идеальным для биологических применений.
Ученый и инженер предвидят время, когда галлий можно будет использовать для перемещения отдельных клеток, образцов тканей или даже органов, например, в лабораториях или больницах.Другой возможной областью применения является промышленное производство, особенно там, где используются хрупкие компоненты, такие как ультратонкие графеновые мембраны или крошечные электронные микросхемы. Эти компоненты могут быть захвачены захватами с галлиевым покрытием и затем установлены в том месте, где они требуются, например печатная плата.
На техническом жаргоне такая технология сборки называется «забрать и разместить». Он уже существует сегодня, но обычно основан на использовании вакуумного всасывания.Метин Ситти считает, что галлиевый клей с регулируемой температурой имеет два преимущества. «Смачивание объекта металлической жидкостью, такой как галлий, которая образует связь при небольшом охлаждении, — гораздо более щадящий процесс для хрупких материалов, чем их всасывание с помощью вакуума», — поясняет он, добавляя, что новые методы также более энергоэффективны. . Как только объект приклеивается к слою галлия, больше не требуется энергии для поддержания адгезионного соединения.
Только когда пришло время обратить вспять адгезию, металл нужно быстро нагреть до 30 градусов. Однако вакуумная техника требует постоянного всасывания для поддержания адгезионного эффекта.
Контроль температуры для фазового перехода галлияЧтобы добиться быстрого нагрева и охлаждения, как это требуется в их тестах, команда в Штутгарте подключила элемент Пельтье к своей экспериментальной установке. Этот элемент может либо выделять, либо поглощать тепло при приложении электрического тока.
Однако для практических применений в будущем ученые ожидают, что адгезионная связь также может быть изменена с помощью дистанционного инфракрасного излучения или электрического джоулева нагрева путем интеграции проводящей проводки с поверхностью.Метин Ситти рассматривает робототехнику как еще одно возможное применение этого клея.
Например, альпинистским роботам, которые однажды могут подняться на ветряные турбины для технического обслуживания, могут быть полезны обратимые клеи. Активировав клей, лапа робота будет прикреплена к стенке турбины, а на следующем этапе клейкий слой между стопой и стеной будет кратковременно нагреваться с помощью встроенного нагревательного элемента.
Клей, который не кончаетсяВажное значение для практического применения состоит в том, чтобы материал можно было использовать в течение как можно большего числа циклов без необходимости его замены. Галлий соответствует этому требованию, поскольку жидкий металл полностью поднимается с подложки при правильных условиях загрузки и разгрузки. На поверхности не остается никаких остатков, и клей не теряет собственной субстанции.
Это ни в коем случае нельзя считать само собой разумеющимся. «Хорошие клеи обычно трудно отделить от подложки», — утверждает Ситти, объясняя, что в случае галлия материал образует тонкий оксидный слой на воздухе. Эта оболочка из оксида галлия удерживает галлий и гарантирует, что при обращении адгезии не останется никаких остатков.И это еще не все. Галлий может предложить даже больше: «Мы можем использовать его в различных масштабах, от нанометрового диапазона до микроэлектроники и вплоть до более крупных приложений», — говорит Ситти с улыбкой.
Теоретически его можно было бы использовать даже для поднятия взрослого человека, если бы контактная поверхность была достаточно большой. Однако это было бы наиболее рентабельным, энергоэффективным и практичным для небольших объектов.
Метин Ситти считает, что в ближайшем будущем этот метод может быть использован на практике. И его команда уже начала изучать некоторые из этих потенциальных приложений.
В то же время они работают над оптимизацией техники. До сих пор, например, во всех испытаниях галлий наносили на стержень из эластомера диаметром около двух миллиметров. «Мы хотим протестировать другие геометрические формы и конструкции эластомеров с различными масштабами длины и посмотреть, сможем ли мы улучшить прочность связывания, когда мы это сделаем», — говорит Ситти.
Ученые также планируют изучить сплавы галлия с другими металлами, такими как индий, но они будут внимательно следить за тем, чтобы температура плавления была близка к нормальной температуре окружающей среды.