Od przypadku do przełomu – tak powstał pierwszy na świecie żel z metalu

Naukowcy z Texas A&M University opracowali pierwszy na świecie czysto metaliczny żel – nowy typ materiału, który może znacząco wpłynąć na rozwój bardziej wydajnych baterii z ciekłym metalem. Wyniki ich badań opublikowano w czasopiśmie Advanced Engineering Materials.

Pierwszy w historii żel z metalu

Podczas gdy znane nam żele – jak te używane w kosmetykach czy soczewkach kontaktowych – powstają z materiałów organicznych, nowy żel z Teksasu zbudowany jest w całości z metali. Powstaje poprzez połączenie dwóch proszków metalicznych. Kiedy mieszanina zostaje podgrzana, jeden z metali topi się, a drugi tworzy mikrostrukturę przypominającą szkielet. Ciekły metal zostaje uwięziony w tej strukturze, co nadaje materiałowi konsystencję żelu – mimo iż wciąż składa się on wyłącznie z metalu.

Jak wyjaśnia prof. Michael J. Demkowicz, który kierował badaniami, to odkrycie zaskoczyło choćby samych naukowców. Badacz podkreślił, iż nikt wcześniej nie przypuszczał, iż ciekły metal może zostać utrzymany przez ultradrobny szkielet wewnętrzny. Podczas eksperymentów okazało się, iż gdy miedź – główny składnik – zaczynała się topić, nie zamieniała się w kałużę, jak można by oczekiwać, ale utrzymywała swój kształt dzięki obecności drugiego metalu.

Piec rurowy nagrzewa materiały w szczelnej rurze kwarcowej, aby badać przemiany fazowe i opracowywać materiały metaliczne nowej generacji. Źródło: Emily Oswald/Texas A&M Engineering

Dlaczego ten materiał jest wyjątkowy

Metaliczny żel zachowuje się jak ciało stałe, choć wewnątrz zawiera płynny metal. Aby utrzymać taki stan, potrzebne są ekstremalnie wysokie temperatury – choćby do 1000°C. To zupełne przeciwieństwo zwykłych żeli, które istnieją w temperaturze pokojowej. Nowy materiał otwiera zupełnie nowy kierunek badań nad przewodnictwem, trwałością i stabilnością w warunkach wysokiego ciepła.

Najciekawsze zastosowanie nowego żelu może dotyczyć baterii z ciekłym metalem (LMB – Liquid Metal Batteries). Takie akumulatory potrafią magazynować duże ilości energii i długo pracować bez utraty wydajności, ponieważ ich elementy nie zużywają się tak jak w tradycyjnych bateriach. Do tej pory technologia LMB była wykorzystywana głównie w stacjonarnych systemach energetycznych – np. jako zapasowe źródło zasilania dla budynków. Nie nadawała się jednak do urządzeń mobilnych, bo ruch powodował przemieszczanie się ciekłego metalu, co mogło prowadzić do zwarcia.

Tu właśnie wkracza metaliczny żel – dzięki swojej strukturze potrafi utrzymać ciekły metal w miejscu, co otwiera drogę do wykorzystania takich baterii w ruchomych systemach, np. w statkach, maszynach przemysłowych, a choćby pojazdach hipersonicznych.

Udane testy w laboratorium

Zespół Demkowicza zbudował prototyp baterii, w której zastosowano elektrody w formie metalicznego żelu. Jedna z nich powstała z ciekłego wapnia i stałego żelaza (anoda), a druga z ciekłego bizmutu i żelaza (katoda). Po umieszczeniu w gorącym roztworze soli, który przewodził ładunek elektryczny, bateria zaczęła działać zgodnie z oczekiwaniami. Elektrody zachowały swój kształt, a ogniwo skutecznie generowało prąd.

Jak przyznał dr Demkowicz, odkrycie miało charakter przypadkowy. Początkowo jego zespół badał jedynie zachowanie kompozytów z miedzi i tantalu pod wpływem ciepła. Doktorant Charles Borenstein, pierwszy autor publikacji, zauważył, iż mieszanina miedzi i tantalu w proporcjach 75% do 25% nie stopiła się całkowicie – w przeciwieństwie do czystej miedzi. Kolejne eksperymenty wykazały, iż przy zawartości tantalu powyżej 18% materiał zachowuje strukturę żelu.

Aby potwierdzić strukturę wewnętrzną, naukowcy wykorzystali skanowanie mikro-CT w laboratorium Uniwersytetu Teksasu w Austin. Obrazy pokazały, iż tantal tworzy trwały szkielet, w którego porach uwięziony jest ciekły miedź – dokładnie tak, jak przewidywała teoria.

Przyszłość metalicznych żeli

Choć miedź i tantal nie są idealnymi materiałami do budowy elektrod, zespół planuje kolejne eksperymenty z innymi metalami – takimi jak żelazo, wapń czy bizmut. Naukowcy uważają, iż technologia żelowych elektrod może pozwolić na stworzenie wydajnych, przenośnych baterii ciekłometalowych. W przyszłości także systemów zasilania dla pojazdów o ekstremalnych wymaganiach cieplnych.

Źródło: advanced.onlinelibrary.wiley.com, Zdjęcie otwierające:
AI_Guru, Pixabay