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(Foco Nanowerk) Los compuestos de metal líquido a base de galio son prometedores para la electrónica estirable, la robótica blanda y los dispositivos biointegrados que pueden doblarse y conformarse como el plástico. Su maleabilidad también ofrece oportunidades para la impresión directa de circuitos flexibles que se reparan solos. Pero estos líquidos metaestables, que carecen de enlaces cristalinos rígidos que mantengan los átomos en una disposición fija, pierden rápidamente su forma impresa y se convierten en masas informes y sin recipientes.
La variante de metal líquido a base de galio más comúnmente utilizada en la investigación es el galio indio eutéctico (EGaIn), una mezcla de 75 % de galio y 25 % de indio que se funde a temperatura ambiente. Esto significa que permanece líquido sin calentamiento externo y al mismo tiempo tiene la excelente conductividad del indio.
Ahora, investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte están informando de un gran avance: compuestos de metal líquido que aumentan espontáneamente su volumen en más de un 400% cuando se exponen al agua, manteniendo al mismo tiempo una conductividad metálica similar a la de su material original. Específicamente, los patrones se expanden desde una resistencia inicial de 10-2 Ohmios a aproximadamente 0,1 ohmios después del crecimiento reactivo, manteniendo una alta conductividad comparable a la del compuesto hinchable.
Esta reactividad química ajustable convierte una barrera permanente en una oportunidad. Abre nuevos paradigmas para la impresión directa de dispositivos electrónicos sensibles y autorreparables que cambian de forma con el tiempo. Los resultados promueven visiones futuristas de robótica blanda y dispositivos biointegrados que evitan la rigidez y la fragilidad.
Los metales líquidos como el galio indio eutéctico (EGaIn) han fascinado a los científicos durante mucho tiempo con su extraña combinación de conductividad metálica y puntos de fusión por debajo de la temperatura ambiente. Desplegados de la prensa de enlaces cristalinos rígidos, estos metales fluidos se doblan como plástico y fluyen como agua. Esta versatilidad de fluidos permite usos potenciales como alambres y electrodos suaves y elásticos que pueden torcerse, doblarse y adaptarse a cualquier superficie o parte móvil. Su maleabilidad también ofrece oportunidades para imprimir productos electrónicos a temperatura ambiente, sin el calor intenso y los entornos meticulosos necesarios para modelar materiales conductores tradicionales como el cobre o el silicio.
Pero importantes obstáculos han frenado el potencial de la electrónica de metal líquido. Sin un recipiente, estos líquidos metaestables pierden rápidamente su forma impresa y fluyen formando grumos informes. Los primeros intentos de estabilización implicaron recubrir las gotas con una piel oxidada para atenuar el flujo, lo que dio como resultado conductores submilimétricos que eran demasiado pequeños para un uso práctico. Esfuerzos recientes han mezclado metales líquidos en pastas llenas de partículas lo suficientemente espesas para la impresión directa. Pero las huellas impresas permanecen opacas y se agrietan después de un estiramiento moderado.
Ahora, un equipo interdisciplinario dirigido por Michael Dickey de la Universidad Estatal de Carolina del Norte está informando sobre un fenómeno completamente nuevo: mezclas de metales líquidos que se vuelven significativamente más grandes cuando se «riegan» manteniendo una conductividad útil. Aprovechando reacciones químicas conocidas entre metales líquidos y agua, los investigadores han convertido un obstáculo en un gran avance.
Los resultados fueron publicados en Materiales avanzados (“Espumas metálicas líquidas imprimibles que crecen cuando se riegan”).
![Las espumas de metal líquido responden a la humedad oxidándose y creciendo debido a la evolución de hidrógeno en los poros.](https://www.nanowerk.com/spotlight/id64737_1.jpg)
La tecnología se basa en avances anteriores con espumas de metal líquido: aleaciones de galio que se fluidizan con burbujas de aire y se unen mediante capas estabilizadoras de óxido de galio nativo. Por casualidad, el equipo descubrió que estos compuestos se expanden dramáticamente cuando se exponen incluso a pequeñas cantidades de agua. Sólo un 1% de agua da como resultado la formación de espuma y un aumento de volumen cinco veces mayor en un día. Y el material resultante sigue siendo altamente conductor a pesar de tener más del 85% de aire.
Esto ocurre porque la penetración del agua promueve reacciones de oxidación que producen oxihidróxido de galio poroso mientras liberan gas hidrógeno. Normalmente la oxidación sólo pasiva las superficies. Sin embargo, dada la abundancia de interfaces de galio accesibles al agua, las reacciones se autopropagan en este medio aireado. El gas que se acumula gradualmente ejerce una presión interna que expande aún más la espuma, similar a la masa de pan creada a partir de los subproductos de la fermentación de la levadura.
Sorprendentemente, esta respuesta alienígena se puede sintonizar y controlar. Más agua inicial da como resultado un crecimiento más rápido y mayor antes de que comience la fragilización. Y confinar los precursores reactivos controla la expansión como si se inflara un globo, permitiendo que las formas se adapten a las cavidades cerradas. Después de crecer en tamaño en más de un 400%, las estructuras finales conservan una conductividad metálica similar a la de su pasta inicial. Sin embargo, las composiciones deben permanecer secas ya que la exposición continua a la humedad conduce en última instancia a la pérdida de propiedades eléctricas.
El equipo utilizó este fenómeno para imprimir patrones de metal líquido reactivo que aumentan de tamaño espontáneamente después de la deposición. Y al limitar la expansión en un canal acrílico, demuestran un «conductor en crecimiento» que llena automáticamente los vacíos en un circuito. Potencialmente, esto permite un puente eléctrico eficiente y manos libres sin la necesidad de cabezales de impresión complicados o entornos hostiles de deposición de metales. También podría reducir la cantidad de costosos metales líquidos necesarios.
El aspecto de generación de gas también permite el accionamiento neumático, que el equipo utilizó para accionar una pinza blanda. Al inflar bolsas de hidrógeno desprendido, el dispositivo puede agarrar y levantar objetos sin componentes rígidos ni tubos engorrosos. La falta de control y fuente de alimentación externa da como resultado un diseño notablemente simple.
Si bien la fuerza de agarre es actualmente modesta, la autora principal, Febby Krisnadi, enfatiza: “Esta demostración ofrece posibilidades interesantes para el desarrollo futuro, ya que es una técnica de modelado que 1) se puede realizar con manos libres y sin máquinas dispensadoras complicadas, 2) que se puede reducir. «Cantidad de LM necesaria para llenar un determinado volumen de canal sin afectar la conductividad, 3) realizado a temperatura ambiente, no se requieren condiciones ambientales especiales.»
Aunque las aplicaciones a largo plazo requieren una mejor encapsulación para mantener la sequedad y evitar la fragilidad, los resultados hacen avanzar significativamente la electrónica de metal líquido. Los investigadores explican que el avance representa «un tipo de impresión 4D que combina la automatización de la impresión con procesos espontáneos que cambian la estructura 3D con el tiempo de una manera dependiente del entorno». La reactividad química abre nuevos horizontes para la electrónica y la robótica de respuesta suave.
Este trabajo tiene implicaciones importantes para las espumas metálicas líquidas porque la exposición al agua (incluida la humedad) puede provocar cambios dimensionales y de propiedades físicas que pueden ser deseables o no. Nuestro objetivo es comprenderlos y utilizarlos mejor. Al aprovechar la reactividad que antes se consideraba destructiva, los investigadores han convertido un talón de Aquiles en una fortaleza. Sus compuestos de metal líquido cultivados con agua apuntan a paradigmas completamente nuevos para la impresión de arquitecturas metálicas autoformantes, lo que nos acerca un paso más a que algún día podamos igualar las capacidades de los tejidos naturales.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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