Жидкие металлы

Жидкие металлы — это металлы или металлические сплавы, находящиеся в жидком агрегатном состоянии при температурах, значительно ниже их температур плавления в чистом виде, либо при комнатной температуре. К жидким металлам относят вещества, которые сохраняют металлическую проводимость, высокую теплоёмкость и характерный блеск в жидкой фазе. В отличие от расплавов, образующихся при нагреве твёрдых металлов, термин «жидкие металлы» часто применяется к материалам, остающимся жидкими в широком диапазоне температур, включая комнатную (например, ртуть, галлий, сплавы на основе натрия и калия).

История

Первым известным человечеству жидким металлом была ртуть (Hg). Её уникальное свойство оставаться жидкой при комнатной температуре (температура плавления −38,83 °C) было известно ещё в Древнем Китае и Древней Греции. Аристотель в IV веке до н. э. упоминал «жидкое серебро» (hydrargyrum). В Средние века ртуть активно использовалась алхимиками для извлечения золота и серебра из руд, а также в медицине (например, для лечения сифилиса).

В XIX веке с развитием химии и металлургии были открыты другие металлы с низкими температурами плавления: галлий (Ga, температура плавления 29,76 °C), цезий (Cs, 28,5 °C), франций (Fr, около 27 °C). Однако практическое применение жидких металлов началось только в XX веке, когда были разработаны сплавы, остающиеся жидкими при температурах ниже 100 °C, такие как сплав Вуда (температура плавления 70 °C) и сплав Розе (94 °C). В 1950-х годах жидкие металлы начали использоваться в ядерной энергетике в качестве теплоносителей (натрий, калий, сплавы натрия с калием) благодаря их высокой теплопроводности и низкому давлению паров при высоких температурах.

В XXI веке интерес к жидким металлам возрос в связи с развитием гибкой электроники, мягкой робототехники и биомедицинских технологий. Сплавы на основе галлия (например, эгаин — сплав галлия, индия и олова) стали альтернативой ртути благодаря меньшей токсичности.

Классификация

Жидкие металлы классифицируют по нескольким признакам:

По температуре плавления

• Низкотемпературные (температура плавления ниже 100 °C): ртуть, галлий, цезий, франций, сплавы Вуда, Розе, эгаин.
• Среднетемпературные (100–500 °C): натрий (97,8 °C), калий (63,5 °C), литий (180,5 °C), сплавы натрия с калием (NaK).
• Высокотемпературные (выше 500 °C): свинец (327,5 °C), висмут (271,4 °C), олово (231,9 °C), цинк (419,5 °C), алюминий (660,3 °C).

По химической активности

• Инертные (не реагируют с водой и воздухом при комнатной температуре): ртуть, галлий, сплавы на основе галлия (эгаин).
• Реакционноспособные (активно взаимодействуют с водой и кислородом): натрий, калий, литий, цезий. Эти металлы требуют хранения в инертной атмосфере или под слоем масла.

По происхождению

• Чистые металлы: ртуть, галлий, цезий, франций.
• Сплавы: эгаин (Ga-In-Sn), сплав Вуда (Bi-Pb-Sn-Cd), сплав Розе (Bi-Pb-Sn), NaK (Na-K).

Физико-химические свойства

Жидкие металлы обладают рядом уникальных свойств, отличающих их от других жидкостей (вода, масла):

• Высокая теплопроводность: у жидких металлов она в десятки раз выше, чем у воды. Например, теплопроводность жидкого натрия при 200 °C составляет около 80 Вт/(м·К), у воды — 0,6 Вт/(м·К).
• Электропроводность: жидкие металлы являются проводниками электричества, хотя их удельное сопротивление выше, чем у твёрдых металлов. У ртути удельное сопротивление при 20 °C — 0,958 мкОм·м.
• Высокое поверхностное натяжение: у ртути — 0,485 Н/м, у галлия — 0,718 Н/м (при 30 °C). Это позволяет жидким металлам образовывать капли и не смачивать многие поверхности.
• Низкая вязкость: например, у ртути динамическая вязкость при 20 °C — 1,55 мПа·с, что близко к вязкости воды (1,0 мПа·с).
• Высокая плотность: ртуть (13 546 кг/м³) — одна из самых плотных жидкостей. Галлий (5904 кг/м³) и эгаин (6200 кг/м³) также значительно плотнее воды.
• Температура плавления: для низкотемпературных жидких металлов она может быть ниже 0 °C (ртуть — −38,83 °C, сплав NaK — −12,6 °C).

Применение

Теплоносители в ядерной энергетике

Жидкие металлы, особенно натрий, калий и сплавы NaK, широко используются в качестве теплоносителей в реакторах на быстрых нейтронах (например, в российском реакторе БН-600). Преимущества: высокая теплопроводность, низкое давление паров при высоких температурах, что позволяет работать при атмосферном давлении. Недостатки: химическая активность (натрий бурно реагирует с водой), что требует сложных систем безопасности.

Гибкая электроника и мягкая робототехника

Сплавы на основе галлия (эгаин) используются для создания гибких проводников, растяжимых датчиков, антенн и элементов мягких роботов. Жидкий металл заливают в эластичные полимерные каналы, что позволяет сохранять проводимость при деформации. В 2020-х годах разработаны технологии печати жидким металлом на гибких подложках.

Медицина

Ртуть исторически использовалась в термометрах (до запрета в ряде стран из-за токсичности), зубных пломбах (амальгамы) и тонометрах. В современной медицине жидкие металлы применяются в рентгеноконтрастных средствах (например, висмут-содержащие препараты) и в качестве основы для самоуплотняющихся катетеров. Сплавы галлия изучаются для создания биосовместимых имплантатов.

Химическая промышленность

Ртуть используется в производстве хлора и щелочей (ртутный метод электролиза), а также в качестве катализатора в органическом синтезе. Галлий применяется в производстве полупроводников (арсенид галлия, нитрид галлия) для светодиодов и лазеров.

Энергетика

Жидкий свинец и сплавы свинца с висмутом рассматриваются как теплоносители для перспективных ядерных реакторов (например, в проекте БРЕСТ-ОД-300). В солнечной энергетике жидкие металлы используются в качестве теплоносителей в концентраторных солнечных электростанциях.

Металлургия

Жидкие металлы (алюминий, медь, сталь) являются основой литейного производства. Однако в контексте «жидких металлов» как отдельного класса чаще упоминаются низкотемпературные сплавы для пайки и литья (сплав Вуда, сплав Розе).

Опасность и токсичность

• Ртуть — токсичное вещество, способное накапливаться в организме, вызывая поражение нервной системы, почек и лёгких. Пары ртути особенно опасны. В Российской Федерации ртутьсодержащие приборы (термометры, люминесцентные лампы) подлежат специальной утилизации. Ртуть и её соединения отнесены к 1-му классу опасности (чрезвычайно опасные вещества).
• Галлий и его сплавы (эгаин) считаются малотоксичными, но могут вызывать раздражение кожи и глаз. При контакте с алюминием галлий вызывает его охрупчивание (жидкометаллическое охрупчивание).
• Натрий и калий — пожароопасные и взрывоопасные при контакте с водой. Хранятся под слоем керосина или в инертной атмосфере.
• Свинец и висмут — токсичны при длительном воздействии, особенно свинец, который накапливается в костях и вызывает хронические отравления.

Интересные факты

• При комнатной температуре жидкими являются только два металла в чистом виде: ртуть и галлий (последний — при температуре выше 29,76 °C). Цезий и франций плавятся при температурах чуть ниже 30 °C, но их высокая химическая активность и радиоактивность (франций) ограничивают практическое применение.
• Сплав NaK (натрий-калий) остаётся жидким при температурах до −12,6 °C, что делает его удобным теплоносителем для низкотемпературных процессов.
• Жидкие металлы могут образовывать «жидкие зеркала» — вращающиеся ванны с ртутью, используемые в астрономии для создания телескопов (например, телескоп LZT в Канаде).
• В 2014 году учёные из Университета Карнеги-Меллона (США) разработали «жидкий металл», который может менять форму под действием электрического поля, что открывает перспективы для создания самовосстанавливающихся цепей.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2.
• Физические величины: Справочник / Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991.
• Dickey, M. D. (2017). Stretchable and Soft Electronics using Liquid Metals. Advanced Materials, 29(27), 1606425.
• Безопасность при работе с ртутью: Методические рекомендации Минздрава РФ, 2003.
• Справочник по теплоносителям для ядерных реакторов / Под ред. В. М. Боришанского. — М.: Атомиздат, 1978.