Учёные из Техасского университета A&M создали нечто, чего раньше не существовало — первый в мире металлический гель. Это материал, состоящий из металлов, но обладающий свойствами, характерными для гелей: он мягкий, пластичный и при этом сохраняет форму. В отличие от косметических или моющих гелей, его особенность — устойчивость к экстремальным температурам и возможность применения в энергетике будущего.
Неожиданное открытие
Исследовательская группа под руководством профессора Майкла Демковича и аспиранта Чарльза Боренстайна изначально изучала поведение металлических композитов при высоких температурах. В одном из экспериментов они нагревали смесь меди и тантала. При нагреве медь расплавилась, а тантал остался твёрдым, образовав микроскопическую решётку — своего рода «скелет», в который заключился жидкий металл.
В результате возникла необычная структура: жидкая медь оказалась «пойманной» внутри твёрдого каркаса, и материал повёл себя как гель — он не растёкся, а сохранил форму. Так родился новый класс веществ, сочетающих текучесть жидкости и устойчивость твёрдого тела.
Почему это важно
Обычные гели состоят из органических веществ и удерживают жидкость при комнатной температуре. Металлическому же гелю для стабильности требуются температуры порядка 1000 °C, что делает его перспективным для использования в высокотемпературных процессах и системах хранения энергии.
«До сих пор металлические гели не упоминались в науке, вероятно, потому что никто не предполагал, что жидкие металлы могут удерживаться внутри ультратонкого твёрдого скелета. Когда медь расплавилась, вместо того чтобы превратиться в лужу, она осталась внутри структуры. Это совершенно неожиданно», — отмечает Демкович.
Металлический гель в батареях
Чтобы продемонстрировать практическое применение открытия, команда создала жидкометаллический аккумулятор (Liquid Metal Battery, LMB), в котором гель использовался в качестве электрода.
Обычные жидкометаллические батареи могут хранить огромные объёмы энергии, но их использование ограничено стационарными установками — при движении жидкость внутри батареи смещается и может вызвать короткое замыкание. Металлический гель решает эту проблему: он «запирает» жидкий металл, сохраняя электропроводность и стабильность.
В лабораторном образце один электрод состоял из смеси жидкого кальция и твёрдого железа, другой — из жидкого висмута и железа. При погружении в расплавленную соль система успешно вырабатывала электричество, при этом форма и структура электродов не нарушались.
По словам исследователей, металлические гели открывают путь к созданию переносных или мобильных жидкометаллических батарей, пригодных для судов, промышленных установок и энергетических систем, работающих при высоких температурах.
С помощью микрокомпьютерной томографии команда подтвердила, что тантал действительно формирует прочный внутренний каркас, удерживающий жидкую медь в микроскопических полостях. Хотя сочетание меди и тантала вряд ли станет коммерческим решением, их контрастные свойства помогли учёным понять принцип работы материала.
В перспективе такие гели могут стать основой новых гибридных металлических материалов и устойчивых систем хранения энергии большой ёмкости.
