Reuzehandig: kneedbaar galliumcomposiet

Materiaalkunde Het metaal gallium wordt door toevoeging van diamant of grafeenoxide pasta- of stopverfachtig, met nieuwe eigenschappen.

Mannetje van gallium Silly Putty.
Mannetje van gallium Silly Putty. Foto Science Advances / Chunhui Wang, CMCM

De kneedbare metalen die onderzoekers in Zuid-Korea ontwikkelden, zouden niet misstaan in een speelgoedwinkel. Het spul ziet eruit als zilverkleurige, glimmende klei, waar de onderzoekers dan ook gewoon een poppetje en huisje van hebben gevormd. Maar laat je niet misleiden door het speelse uiterlijk, deze galliumcomposieten hebben serieuze toepassingen. In een publicatie die vrijdag verscheen in Science Advances beschrijven de onderzoekers dat de composieten gebruikt kunnen worden voor warmteafvoer in elektronica en als beschermende laag tegen verstorende elektromagnetische straling.

De basis van het stopverfachtige goedje is het metaal gallium, een element met atoomnummer 31. Gallium wordt al gebruikt in elektronica, bijvoorbeeld in halfgeleiders, transistors en in ledverlichting. Maar bijvoorbeeld ook op zonnepanelen. Behalve dat gallium goed warmte en elektriciteit geleidt, heeft het enkele bijzondere eigenschappen. Een klompje gallium zou al smelten in je handpalm: de smelttemperatuur ligt op 30°C.

Theelepelgrap

Scheikundestudenten halen soms de grap uit om iemand thee aan te bieden met een lepeltje van gallium. Qua uiterlijk is het bijna identiek aan aluminium, maar zodra je ermee roert, smelt het gallium in de hete drank.

Het smeltpunt van gallium kan verder omlaag worden gebracht door het te mengen met indium en tin. Deze legering is vloeibaar bij kamertemperatuur en wordt bijvoorbeeld gebruikt in thermometers omdat het – in tegenstelling tot het vloeibare metaal kwik – niet giftig is. Daarnaast zet gallium uit als het stolt, een zeldzame materiaaleigenschap die het deelt met water. „Er is geen ander element zoals gallium!”, mailt Ben Cunning van het Institute for Basic Science (IBS) in Zuid-Korea.

Het zeldzame metaal gallium smelt bij 30 graden. Foto HH/Science Advances

De Koreaanse onderzoekers hebben een methode ontwikkeld om vulstoffen toe te voegen aan vloeibaar gallium om zo – voor het eerst – galliumcomposieten te maken met een pasta- of stopverfachtige structuur. In tegenstelling tot vloeibaar of gestold gallium laten deze composieten geen vlekken achter op oppervlakken, kunnen ze gemakkelijker ergens op ‘geverfd’ worden en is het mogelijk om ze te boetseren. Volgens de onderzoekers maakt dit nieuwe toepassingen van gallium mogelijk, bijvoorbeeld in zachte, flexibele elektronica.

Verschillende vulstofdeeltjes

De onderzoekers testten verschillende vulstofdeeltjes, waaronder grafeenoxide en diamant. De hoeveelheid vulstof bepaalde de stroperigheid van het materiaal. Bij een gehalte van ongeveer 1,7 procent grafeenoxide kreeg het galliumcomposiet een pasta-achtige vorm en bij 3,6 procent werd het meer stopverfachtig, met de kneedbaarheid van de speelgoedklei Plasticine.

De vulstoffen veranderden ook andere materiaaleigenschappen. „Diamant heeft bijvoorbeeld een uitstekende thermische geleidbaarheid”, vertelt Cunning. „Door dit te gebruiken als vulstof werd de thermische geleidbaarheid van het gallium aanzienlijk verbeterd.” Dit levert een stopverfachtige composiet op die gebruikt kan worden als koelpasta. Koelpasta’s worden bijvoorbeeld gebruikt in elektronica. “Microprocessoren in mobiele telefoons en computers verbruiken veel energie en kunnen behoorlijk warm worden”, mailt Rodney Ruoff, eveneens van IBS. “Die warmte moet afgevoerd worden om schade te voorkomen.” Hiervoor wordt een koelplaatje bevestigd aan de microprocessor. Een koelpasta zorgt ervoor dat de warmte zo goed mogelijk van naar die koelplaat geleid wordt.

Door grafeenoxide als vulstof te gebruiken, maakten de onderzoekers een kneedbaar materiaal dat efficiënt elektromagnetische straling tegenhoudt om zo bijvoorbeeld medische apparatuur of militaire computers te beschermen tegen verstoringen of afluisteren.

Silly Putty

Als laatste experiment mengden de onderzoekers minuscule druppeltjes vloeibaar gallium door het commercieel verkrijgbare Silly Putty, een elastisch, kneedbaar materiaal dat verkocht wordt als speelgoed. Dit spul was niet alleen kneedbaar, maar ook rekbaar en bleek prima elektromagnetische straling tegen te houden.

“Alle vulstoffen die we probeerden leverden in de juiste hoeveelheid kneedbare composieten op”, besluit Ruoff. “We hebben daarom het gevoel dat ons werk de deur opent naar meer stopverfachtige metaalcomposieten, voor nieuwe, spannende toepassingen.”

Lees ook over gallium: Bouwen met minieme draadjes van metaalvloeistof (2013)