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Sep 28, 2023

Stampa oggetti metallici 3D a temperatura ambiente utilizzando un gel metallico conduttivo

Professore Ed Brown Michael Dickey: Beh, questa è una buona domanda. La verità è che avevo uno studente davvero bravo che era curioso e in un certo senso ci ha portato su questa strada. Ma c'è un po' di storia

Ed Brown

Professore Michael Dickey: Beh, è ​​una bella domanda. La verità è che avevo uno studente davvero bravo che era curioso e in un certo senso ci ha portato su questa strada. Ma c’è un po’ di storia che lo ha preceduto. Il nostro gruppo lavora da circa 15 anni sui metalli liquidi. Di solito quando parlo di metalli liquidi le persone pensano al mercurio. Ma questi sono in realtà metalli costituiti da leghe di gallio.

Se guardi la tavola periodica, il gallio è proprio sotto l'alluminio. Probabilmente ricorderete dalle lezioni di chimica del primo anno che se le cose sono nella stessa colonna nella tavola periodica, sono come fratelli o sorelle. Quindi, il gallio e l'alluminio sono molto simili, tranne per il fatto che il gallio ha un punto di fusione molto basso. Abbiamo studiato questo materiale, cercando soprattutto di trovare modi per modellarlo, perché ci permette di creare cose come i circuiti elettrici.

Sulla superficie dei liquidi, inclusa l'acqua, la tensione superficiale tipicamente fa sì che formino forme sferiche. Ma il gallio liquido ha una forma strana. Il motivo per cui ha quella forma è perché il metallo reagisce con l'aria e forma un ossido. Se prendi un po' di acido, i vapori saranno sufficienti a dissolvere l'ossido. E senza di esso, il metallo si solleva come una sfera.

Quindi, questi sono stati gli ultimi 10 anni della mia vita.

Stiamo usando questo fenomeno a nostro vantaggio. Fondamentalmente, un guscio sottile si forma rapidamente sul metallo ed è abbastanza resistente da poterlo effettivamente stampare in 3D. Questo è interessante perché puoi stampare i metalli a temperatura ambiente e creare forme. Ciò non sarebbe possibile se provassi a farlo con acqua, caffè o praticamente qualsiasi altro liquido che incontri nella tua vita quotidiana.

Dickey: Hai chiesto informazioni sullo sfondo: questo è lo spazio in cui stavamo lavorando. Quando erogamo il liquido da un ugello, esce come una goccia, perché il modo in cui questa sostanza scorre è come l'acqua, ma poi forma un guscio sopra la superficie. Per molto tempo avrei preferito che questa roba fosse più simile al dentifricio o al gel.

La sfida è come farlo uscire ed estrudere come un cilindro? Ti serve per fare un paio di cose. Uno è poterlo erogare da un ugello. E poi, una volta uscito dall'ugello, vuoi che mantenga la sua forma: questi sono i requisiti minimi indispensabili. Ma oltre a ciò, vuoi che sia conduttivo e, si spera, abbia proprietà meccaniche decenti. Volevamo che fosse un liquido in modo da poterlo utilizzare per realizzare fili estensibili, con il metallo liquido all'interno di un tubo di gomma. I fili sono molto elastici perché sono liquidi all'interno della gomma. È elastico come la gomma ma comunque conduttivo come un metallo.

Ma mi sono sempre chiesto se fosse possibile stampare un metallo a temperatura ambiente e poi farlo solidificare. E la risposta è si. Questo è quello che abbiamo fatto con questo gel metallico. Per questo lavoro ci siamo ispirati ai castelli di sabbia, costruiti con granelli di sabbia. Non funzionerà se sono troppo asciutti o troppo bagnati, ma se ricevono un po' d'acqua come sabbia bagnata, puoi costruire un castello. Il motivo per cui puoi costruirlo è che c'è un piccolo ponte chiamato ponte pendolare, o ponte liquido, che in un certo senso unisce le particelle di sabbia. Nel nostro caso le sfere piene di metallo liquido sarebbero come le particelle di sabbia. Quindi ci chiedevamo se potevamo farlo, ma invece di grandi particelle di sabbia, abbiamo grandi particelle di rame: i ponti sarebbero di metallo liquido? Ancora una volta, la risposta è sì.

Mescoliamo le particelle di rame con il metallo liquido e poi con un po' d'acqua. Il pH è 1 perché non vogliamo ossido lì in modo da poter formare legami metallo-metallo. Mescoliamo semplicemente queste cose insieme e, se ottieni la composizione giusta, formi un gel, una specie di dentifricio.

Potete immaginare che se fossi un elettrone, ora ci sarebbe un percorso da percorrere, mentre senza il metallo liquido le particelle di rame non sarebbero in buon contatto.

Dickey: La cosa fondamentale con il gel è che devi avere una rete. Immagina una rete in cui tutte le particelle, o la maggior parte di esse, sono collegate insieme. C'è un percorso che attraversa l'intero materiale. È quasi come uno scheletro all'interno del liquido, una struttura che tiene insieme il materiale.