Ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της επιστήμης των υλικών μόλις λύθηκε! Ερευνητές από το Virginia Tech ανακάλυψαν πώς το υγρό μέταλλο καταφέρνει να άγει τον ηλεκτρισμό, ακόμα κι όταν βρίσκεται απομονωμένο μέσα σε μονωτικά υλικά. Η απάντηση, σύμφωνα με τη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Matter, βρίσκεται σε κάτι που μέχρι τώρα θεωρούνταν εχθρός των μηχανικών: σε μικροσκοπικές ρωγμές.
Τα μαλακά ηλεκτρονικά, όπως έξυπνα ρούχα και εύκαμπτοι αισθητήρες, υπόσχονται να αλλάξουν τον τρόπο που αλληλεπιδρούμε με την τεχνολογία. Ωστόσο, οι επιστήμονες βρίσκονταν αντιμέτωποι με ένα παράδοξο: το υγρό μέταλλο που χρησιμοποιείται σε αυτά τα υλικά σχηματίζει σταγόνες, οι οποίες περιβάλλονται από μονωτικά πολυμερή. Λογικά, αυτό θα έπρεπε να εμποδίζει τη ροή του ηλεκτρισμού, αλλά στην πράξη δεν συνέβαινε αυτό.
Επικεφαλής της έρευνας ήταν ο καθηγητής Michael Bartlett, μαζί με τους υποψήφιους διδάκτορες Wuzhou Zu και Hugh P. Grennan. Χρησιμοποιώντας τρισδιάστατη απεικόνιση ακτίνων Χ και μικροσκοπία, ανέλυσαν το ευτηκτικό γάλλιο, ένα υγρό μέταλλο σε θερμοκρασία δωματίου, υπό διάφορες συνθήκες πίεσης.
Η ανακάλυψη που λύνει το μυστήριο
Αυτό που ανακάλυψαν ήταν εντυπωσιακό: όταν το υλικό συμπιέζεται, δημιουργούνται μικροσκοπικές ρωγμές στον μονωτή ανάμεσα στις σταγόνες. Το υγρό μέταλλο γεμίζει αμέσως αυτές τις ρωγμές, σχηματίζοντας γέφυρες που επιτρέπουν στο ηλεκτρικό ρεύμα να περάσει. Ακόμα κι όταν η πίεση σταματά, το μέταλλο παραμένει μέσα στις ρωγμές, διατηρώντας την αγωγιμότητα.
«Η ομάδα μας και άλλοι ερευνητές σε όλο τον κόσμο χρησιμοποιούμε τη μηχανική πίεση εδώ και χρόνια για να μετατρέψουμε τα σύνθετα υλικά υγρού μετάλλου σε αγωγούς, αλλά δεν κατανοούσαμε πραγματικά τι συνέβαινε στο εσωτερικό του υλικού», δήλωσε ο Bartlett. «Τώρα, με την ανακάλυψη αυτή, η εικόνα είναι ξεκάθαρη».
Ο Zu πρόσθεσε: «Μπορέσαμε να παρακολουθήσουμε τη διαδικασία να συμβαίνει σε δύο διαστάσεις και στη συνέχεια να ανακατασκευάσουμε τις διόδους σε τρεις διαστάσεις. Αυτό μας έδωσε μια πολύ πιο καθαρή εικόνα για το πώς οι τοπικές ρωγμές και η μεταφορά του υγρού συντίθενται για να δημιουργήσουν ένα μεγαλύτερο αγώγιμο δίκτυο».
Μαθηματικό μοντέλο για μελλοντικές εφαρμογές
Η ομάδα δεν σταμάτησε εκεί. Ανέπτυξε ένα μαθηματικό μοντέλο που υπολογίζει τη δύναμη που απαιτείται για την πρόκληση αγωγιμότητας. Αυτό είναι κρίσιμο για τους μηχανικούς που σχεδιάζουν μαλακές ηλεκτρονικές συσκευές, καθώς μπορούν πλέον να ελέγχουν με ακρίβεια πότε και πώς δημιουργούνται αγώγιμα δίκτυα. Οι εφαρμογές περιλαμβάνουν ελαστικούς αισθητήρες, wearable ηλεκτρονικά και μαλακά ρομπότ.
«Γνωρίζοντας τι διέπει τον τρόπο σχηματισμού των αγώγιμων δικτύων, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτή τη γνώση για να καθοδηγήσουμε τον σχεδιασμό και την κατασκευή υλικών», κατέληξε ο Bartlett. «Αυτό ανοίγει την πόρτα για την παραγωγή μαλακών ηλεκτρονικών συστημάτων, όπου η αγωγιμότητα θα είναι προγραμματισμένη μέσα από την ίδια την αρχιτεκτονική του υλικού και τον τρόπο επεξεργασίας της συσκευής».
