Ένα νέο είδος μετάλλου σαν «τζελ» που θα μπορούσε να τροφοδοτήσει τις τεχνολογίες του μέλλοντος

Από τα μικροτσίπ έως τους πυραύλους, τα μέταλλα αποτελούν τη ραχοκοκαλιά του σύγχρονου τεχνολογικού κόσμου. Η αντοχή, η αγωγιμότητα και η σταθερότητά τους τα έχουν καταστήσει θεμελιώδη για σχεδόν κάθε τεχνολογική εφαρμογή. Όμως μέχρι σήμερα, κανείς δεν είχε καταφέρει να μετατρέψει ένα μέταλλο σε τζελ, ένα υλικό που συνδυάζει την ευκαμψία ενός υγρού με τη σταθερότητα ενός στερεού.

Μια ερευνητική ομάδα από το Texas A&M University φαίνεται να τα κατάφερε, δημιουργώντας το πρώτο «μεταλλικό τζελ»: ένα υλικό με στερεή εξωτερική μορφή αλλά με έναν ρευστό, μεταλλικό πυρήνα, ικανό να αντέξει εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες χωρίς να καταρρεύσει.

Η ανακάλυψη προήλθε από μια φαινομενικά απλή αλλά πρωτόγνωρη διαδικασία. Ο επικεφαλής της μελέτης, Michael J. Demkowicz, και η ομάδα του συνδύασαν δύο διαφορετικά μεταλλικά σκόνη υπό συνθήκες έντονης θερμότητας. Το ένα από τα μέταλλα έλιωσε, ενώ το άλλο παρέμεινε στερεό, δημιουργώντας ένα είδος μικροσκοπικού «σκελετού» που παγιδεύει το λιωμένο μέταλλο στο εσωτερικό του. Το αποτέλεσμα είναι ένα συμπαγές σώμα που στην πραγματικότητα κρύβει έναν ρευστό, δυναμικό πυρήνα, ένα υλικό που φέρει ταυτόχρονα τα χαρακτηριστικά στερεού και υγρού.

Όπως εξηγεί ο Demkowicz, «μέχρι σήμερα δεν είχε ποτέ αναφερθεί η ύπαρξη μεταλλικών τζελ. Ίσως επειδή κανείς δεν είχε φανταστεί ότι ένα υγρό μέταλλο θα μπορούσε να στηριχθεί από έναν τόσο λεπτό εσωτερικό σκελετό». Το πιο εντυπωσιακό εύρημα, προσθέτει, είναι ότι ακόμη κι όταν ο χαλκός (το κύριο συστατικό του τζελ) φτάνει στο σημείο τήξης του, η συνολική δομή παραμένει σταθερή.

Τα πρώτα πειράματα πραγματοποιήθηκαν με χαλκό και ταντάλιο, ένα μέταλλο γνωστό για την εξαιρετική του αντοχή στη θερμότητα. Η ένωση των δύο δημιούργησε ένα υλικό που διατήρησε το σχήμα του ακόμη και σε θερμοκρασίες που ξεπερνούν τους 1.000°C — πολύ πάνω από το σημείο τήξης του χαλκού. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι όταν η περιεκτικότητα σε ταντάλιο ξεπερνά το 18%, το μίγμα αποκτά μόνιμα την υφή τζελ, παγιδεύοντας το λιωμένο μέταλλο στο εσωτερικό του.

Η ανακάλυψη αυτή προέκυψε σχεδόν τυχαία, στο πλαίσιο μιας ευρύτερης έρευνας για τα σύνθετα μέταλλα. Όμως οι πιθανοί τομείς εφαρμογής της είναι εντυπωσιακά πολλοί, ειδικά στον χώρο της ενέργειας.

Μία από τις πιο άμεσες χρήσεις του νέου υλικού θα μπορούσε να είναι στις λεγόμενες μπαταρίες υγρού μετάλλου (LMBs), δηλαδή μπαταρίες που χρησιμοποιούν λιωμένα μέταλλα αντί για στερεά ηλεκτρόδια. Αυτές οι μπαταρίες προσφέρουν μεγάλη διάρκεια ζωής και υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, όμως μέχρι τώρα είχαν ένα σοβαρό μειονέκτημα: η υγρή τους φύση τις καθιστούσε ασταθείς, ειδικά σε κινούμενα ή δονητικά περιβάλλοντα, αφού το μεταλλικό υγρό μπορούσε εύκολα να μετακινηθεί και να προκαλέσει βραχυκύκλωμα.

Το μεταλλικό τζελ μπορεί να αλλάξει τα δεδομένα. Χάρη στη σταθεροποιητική του δομή, μπορεί να συγκρατεί το λιωμένο μέταλλο στη θέση του, επιτρέποντας τη χρήση LMBs σε οχήματα, πλοία ή βιομηχανικά συστήματα που λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες. Για να δοκιμάσουν αυτή την υπόθεση, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα μικρό πειραματικό κύτταρο με ηλεκτρόδια από μίγματα σιδήρου, βισμουθίου και ασβεστίου, βυθισμένα σε ένα λουτρό από τηγμένα άλατα. Το πρωτότυπο παρήγαγε ηλεκτρική ενέργεια διατηρώντας τη δομή και τη λειτουργία του, επιβεβαιώνοντας την υπόθεση.

Χρησιμοποιώντας μικροτομογραφία υψηλής ανάλυσης, η ομάδα διαπίστωσε ότι το ταντάλιο σχηματίζει ένα τρισδιάστατο δίκτυο που εγκλωβίζει πλήρως τον λιωμένο χαλκό, επιβεβαιώνοντας τη θεωρία της «σκελετικής» δομής του τζελ. Αν και ο συγκεκριμένος συνδυασμός μετάλλων δεν είναι ο πιο πρακτικός για εμπορική χρήση, παρέχει μια κρίσιμη βάση για τη μετάβαση σε φθηνότερα και πιο λειτουργικά υλικά.

Σύμφωνα με τον Demkowicz, η ίδια αρχιτεκτονική θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για τη σταθεροποίηση υγρών ηλεκτρολυτών ή τη διαχείριση λιωμένων αλάτων σε συσκευές υψηλής θερμοκρασίας, όπως συστήματα θερμικής αποθήκευσης ενέργειας ή ακόμη και αντιδραστήρες για υπερηχητικά αεροσκάφη.

Η ιδέα ότι ένα μέταλλο μπορεί να πάρει τη μορφή ενός τζελ ανοίγει έναν εντελώς νέο δρόμο για την επιστήμη των υλικών. Συνδυάζοντας την αντοχή και την αγωγιμότητα των μετάλλων με την ευκαμψία των μαλακών υλικών, το μεταλλικό τζελ θα μπορούσε να οδηγήσει στη δημιουργία μιας νέας γενιάς συστημάτων ενέργειας, θερμικών μηχανισμών ή ακόμη και ηλεκτρονικών συσκευών που λειτουργούν σε ακραίες συνθήκες.

[source]