Жидкий металл как агрегатное состояние¶

Жидкий металл — агрегатное состояние металла или сплава, при котором вещество сохраняет металлические свойства (высокую электро- и теплопроводность, металлический блеск), но обладает текучестью и не имеет собственной кристаллической решётки. К жидким металлам относятся расплавы при температуре выше точки плавления, а также несколько веществ, остающихся жидкими при комнатной температуре — прежде всего ртуть и сплавы на её основе, галлий, некоторые эвтектики.

¶Физическая природа

В твёрдом состоянии атомы металла образуют упорядоченную кристаллическую решётку. При плавлении дальний порядок разрушается, но ближний порядок частично сохраняется: атомы остаются связанными коллективизированными электронами, что и обеспечивает сохранение металлических свойств в расплаве. Жидкий металл одновременно сочетает свойства жидкости (текучесть, вязкость, поверхностное натяжение) и металла (электропроводность, отражательная способность).

Характерные параметры:

• Температура плавления — от −38,8 °C у ртути до 3400 °C и выше у тугоплавких металлов (вольфрам).
• Плотность — как правило, на 2–5 % ниже, чем у твёрдой фазы того же металла.
• Вязкость — сопоставима с вязкостью воды, у большинства расплавов составляет единицы мПа·с.
• Теплопроводность — на порядок выше, чем у неметаллических жидкостей.

¶Металлы, жидкие при комнатной температуре

Большинство металлов плавится при высоких температурах, однако несколько элементов и сплавов остаются жидкими в обычных условиях:

Галлий плавится от тепла человеческой руки, что делает его удобным демонстрационным материалом. Сплавы на основе галлия и индия (эвтектики) используются как нетоксичная замена ртути.

¶История изучения

Ртуть известна с древности: её применяли в металлургии золота, в зеркалах, термометрах и барометрах. Систематическое изучение расплавов началось в XIX–XX веках в связи с развитием металлургии. В 1869 году Д. И. Менделеев, работая над Периодическим законом, опирался в том числе на свойства простых веществ, включая температуры плавления. В XX веке сформировалась самостоятельная область — физика жидких металлов, изучающая их структуру методами рентгеновской и нейтронной дифракции.

¶Применение

¶Металлургия

Основная масса жидких металлов существует как промежуточная стадия производства: доменный чугун, сталь в сталеплавильных агрегатах, расплавы при литье и сварке. Управление свойствами расплава определяет качество готового металла.

¶Теплоносители

Жидкометаллические теплоносители применяются в ядерной энергетике и космической технике благодаря высокой теплопроводности:

• натрий и сплав натрий-калий — в реакторах на быстрых нейтронах;
• свинец и свинец-висмут — в реакторах на тяжёлых теплоносителях, в том числе в советских атомных подводных лодках проекта 705;
• литий — в системах охлаждения космических аппаратов.

¶Электроника и техника

• Ртутные лампы, термометры, барометры, ртутные выпрямители (исторически).
• Галлий и его сплавы — в гибкой электронике, растяжимых проводниках, тепловых интерфейсах.
• Жидкометаллические контакты в переключателях и токосъёмниках.

¶Мягкая робототехника

Сплавы галлия используются для создания растяжимых проводников и устройств, меняющих форму под действием электрического поля или температуры.

¶Опасность для здоровья

Наибольшую известность получила токсичность ртути и её паров: хроническое отравление (меркуриализм) поражает нервную систему и почки. Именно поэтому ртутные термометры и приборы постепенно выводятся из обращения, а ртуть заменяют галлиевыми сплавами. Галлий и его эвтектики считаются малотоксичными, хотя способны вызывать раздражение кожи и разрушать алюминиевые конструкции (галлиевая хрупкость).

¶Жидкий металл в культуре и технике будущего

Образ жидкого металла широко вошёл в массовую культуру: от антагониста T-1000 в фильме «Терминатор 2» до фантастических представлений о самовосстанавливающихся материалах. В научной среде ведутся работы по созданию жидкометаллических катализаторов, гибких аккумуляторов и микрофлюидных устройств.

¶См. также

• Агрегатные состояния вещества
• Ртуть
• Галлий
• Расплав

Источники: учебные курсы по физике металлов и металловедению, справочники по свойствам элементов, материалы по ядерной энергетике и материаловедению.