معدن سائل

المعدن السائل هو معدن أو سبيكة معدنية تكون سائلة عند درجة حرارة الغرفة أو بالقرب منها . ^{[ 1 ]}

المعدن العنصري السائل الوحيد المستقر في درجة حرارة الغرفة هو الزئبق (Hg)، الذي ينصهر عند درجة حرارة أعلى من -38.8  درجة مئوية (234.3 كلفن، -37.9  درجة فهرنهايت). وتنصهر ثلاثة معادن عنصرية أخرى أكثر استقرارًا عند درجة حرارة أعلى بقليل من درجة حرارة الغرفة: السيزيوم (Cs)، الذي تبلغ درجة انصهاره 28.5  درجة مئوية (83.3  درجة فهرنهايت)؛ والغاليوم (Ga) (30  درجة مئوية [86  درجة فهرنهايت])؛ والروبيديوم (Rb) (39  درجة مئوية [102  درجة فهرنهايت]). ويُحتمل أن يكون معدن الفرانسيوم المشع (Fr) سائلًا أيضًا عند درجة حرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة. وتشير الحسابات إلى أن معدني الكوبرنيسيوم (Cn) والفليروفيوم (Fl) المشعين يجب أن يكونا سائلين أيضًا عند درجة حرارة الغرفة. ^{[ 2 ]}

يمكن أن تكون السبائك سائلة إذا شكلت مزيجًا يوتكتيكيًا ، أي أن درجة انصهار السبيكة أقل من درجة انصهار أي من المعادن المكونة لها. كان الزئبق المعدن القياسي المستخدم في صناعة السبائك السائلة ، ولكن تُستخدم سبائك الغاليوم ، التي تتميز بانخفاض ضغط بخارها عند درجة حرارة الغرفة وانخفاض سميتها ، كبديل في تطبيقات متنوعة. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

تتميز الأنظمة السبائكية السائلة في درجة حرارة الغرفة بموصلية حرارية تفوق بكثير موصلية السوائل غير المعدنية العادية، ^{[ 5 ]} مما يسمح للمعدن السائل بنقل الطاقة بكفاءة من مصدر الحرارة إلى السائل. كما تتميز هذه الأنظمة بموصلية كهربائية أعلى ، مما يسمح بضخ السائل بكفاءة أكبر باستخدام المضخات الكهرومغناطيسية. ^{[ 6 ]} ونتيجة لذلك، تُستخدم هذه المواد في تطبيقات محددة لتوصيل الحرارة و/أو تبديدها.

ومن المزايا الأخرى لأنظمة السبائك السائلة كثافتها العالية المتأصلة.

تتفاوت لزوجة المعادن السائلة بشكل كبير تبعًا لتركيبها الذري، لا سيما في حالة السبائك. وعلى وجه الخصوص، قد يتراوح اعتماد لزوجة المعادن السائلة على درجة الحرارة بين قانون أرهينيوس القياسي ، واعتماد أكثر حدة (غير أرهينيوس) كما هو موضح تجريبيًا في معادلة فوغل-فولشر-تامان . وقد طُوِّر نموذج فيزيائي للزوجة المعادن السائلة، يُجسِّد هذا التباين الكبير من حيث التفاعلات بين الذرات. ^{[ 7 ]}

يمكن تقدير المقاومة الكهربائية للمعدن السائل عن طريق صيغة زيمان، التي تعطي المقاومة بدلالة عامل البنية الساكنة للسائل كما يمكن تحديده عن طريق قياسات تشتت النيوترونات أو الأشعة السينية .

بعد إزالة الأكاسيد من سطح الركيزة، تُبلل معظم المعادن السائلة معظم الأسطح المعدنية. في درجة حرارة الغرفة، غالبًا ما تكون المعادن السائلة نشطة وقابلة للذوبان على الأسطح المعدنية، على الرغم من أن بعض المعادن الصلبة تُقاوم تآكل المعادن السائلة الشائعة. ^{[ 8 ]} على سبيل المثال ، يُعد الغاليوم مُسببًا للتآكل لجميع المعادن باستثناء التنجستن والتنتالوم ، اللذين يتمتعان بمقاومة عالية للتآكل ، تفوق مقاومة النيوبيوم والتيتانيوم والموليبدينوم . ^{[ 9 ]}

على غرار الإنديوم ، يتمتع الغاليوم وسبائكه بقدرة على ترطيب العديد من الأسطح غير المعدنية كالزجاج والكوارتز . قد يساعد فرك السبيكة برفق على السطح في تحفيز الترطيب. مع ذلك، أدى هذا الترطيب بالفرك على سطح الزجاج إلى انتشار اعتقاد خاطئ مفاده أن المعادن السائلة القائمة على الغاليوم تُبلل أسطح الزجاج، كما لو أن السائل ينفصل عن طبقة الأكسيد ويُبلل السطح. في الواقع ، العكس هو الصحيح: الأكسيد هو ما يجعل السائل يُبلل الزجاج. بتفصيل أكثر: عند فرك السائل على سطح الزجاج ونشره عليه، يتأكسد السائل ويُغطي الزجاج بطبقة رقيقة من بقايا الأكسيد (الصلبة)، والتي يُبلل عليها المعدن السائل. بعبارة أخرى، ما نراه هو معدن سائل قائم على الغاليوم يُبلل أكسيده الصلب، وليس الزجاج. يبدو أن هذا المفهوم الخاطئ كان ناتجًا عن الأكسدة فائقة السرعة للغاليوم السائل حتى في وجود كمية ضئيلة من الأكسجين، مما يعني أنه لم يلاحظ أحد السلوك الحقيقي للغاليوم السائل على الزجاج حتى قام بحث في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس بدحض هذه الخرافة من خلال اختبار غالينستان ، وهي سبيكة أساسها الغاليوم وتكون سائلة في درجة حرارة الغرفة، في بيئة خالية من الأكسجين. ^{[ 10 ]}

تُشكّل هذه السبائك طبقة رقيقة باهتة المظهر من الأكسيد، والتي تتشتت بسهولة مع التحريك الخفيف . أما الأسطح الخالية من الأكسيد فهي لامعة وبراقة .

تشمل تطبيقات المعادن السائلة منظمات الحرارة ، والمفاتيح الكهربائية ، ومقاييس الضغط الجوي ، وأنظمة نقل الحرارة ، وتصاميم التبريد والتدفئة الحرارية. كما يمكن استخدامها لتوصيل الحرارة والكهرباء بين الأسطح غير المعدنية والمعدنية. ونظرًا لطبيعتها الانسيابية، فإن من تطبيقاتها المحتملة الأخرى الأجهزة القابلة للارتداء والأجهزة الطبية، حيث تُعد قابلية تشكيل المادة أمرًا بالغ الأهمية. ^{[ 4 ] [ 3 ]}

يُستخدم المعدن السائل أحيانًا كمادة عازلة حرارية بين المبردات والمعالجات نظرًا لموصليته الحرارية العالية. يستخدم جهاز ألعاب الفيديو بلاي ستيشن 5 المعدن السائل لتبريد المكونات الداخلية للجهاز. ^{[ 11 ]} كما تستخدمه المفاعلات النووية المبردة بالمعدن السائل .

يمكن استخدام المعدن السائل أحيانًا في التطبيقات البيولوجية، مثل صناعة وصلات مرنة لا تتلف. ولأن الغالينستان ليس سامًا بشكل خاص، فإن الأسلاك المصنوعة من السيليكون ذات اللب المعدني السائل تُعدّ مثالية لأجهزة تنظيم ضربات القلب داخل القلب وزراعة الأعصاب ، حيث لا تتحمل أنسجة المخ الحساسة الزرعات الصلبة التقليدية. في الواقع، يمكن تمديد سلك مصنوع من هذه المادة إلى ثلاثة أو حتى خمسة أضعاف طوله مع الحفاظ على توصيله للكهرباء، ثم يعود إلى حجمه وشكله الأصليين دون أي فقد. ^{[ 12 ]}

بفضل مزيجها الفريد من التوتر السطحي العالي وقابلية التشوه السائل ، تُعد المعادن السائلة مفيدة في صناعة المحركات المرنة . ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} وتتحقق آليات توليد القوة في محركات المعادن السائلة عادةً من خلال تعديل توترها السطحي. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} فعلى سبيل المثال، يمكن تصميم قطرة من المعدن السائل لربط جزأين متحركين (كما في الأنظمة الروبوتية ) بطريقة تولد انقباضًا عند زيادة التوتر السطحي. ^{[ 19 ]} وقد دُرست مبادئ الانقباض الشبيه بالعضلات في محركات المعادن السائلة نظرًا لإمكانية استخدامها كجيل جديد من العضلات الاصطناعية التي توفر العديد من المزايا الخاصة بالسوائل مقارنةً بالمواد الصلبة الأخرى. ^{[ 20 ]}

يمكن للتلسكوبات ذات المرايا السائلة استخدام المعادن السائلة التي يتم تشكيلها على شكل قطع مكافئ من خلال خزان دوار لتكون بمثابة المرآة الرئيسية للتلسكوب العاكس . ^{[ 21 ]}

يستخدم مصدر النيوترونات بالتفتيت المعادن السائلة كأهداف لتوليد حزم النيوترونات النبضية.

• مضخة كهرومغناطيسية
• سبيكة قابلة للانصهار
• جالينستان
• سبيكة الصوديوم والبوتاسيوم
• تي-1000

• الوسائط المتعلقة بالمعادن السائلة على ويكيميديا ​​كومنز