Forschern gelingt kontaktloses Formen von flüssigem Metall

Ein neuer Weg, um Flüssigkeiten zu formen

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In einer bahnbrechenden Entdeckung haben Forscher der australischen University of Wollongong (UOW) flüssige Metalldrähte kontaktlos zum Rotieren, Schweben und Beschleunigen gebracht.

Nachdem fließende Medien durch eine Düse ausgetreten sind, lassen sie sich nur schwer kontrollieren. Einem Forschungsteam unter Leitung von Professor Xiaolin Wang, Leiter am ARC Center of Excellence for Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) und Direktor des UOW Instituts für Supraleiter und elektronische Materialien am Australischen Institut für Innovative Materialien, gelang nun die kontaktlose Beeinflussung eines frei fließenden Stroms flüssigen Metalls. 

Das Metall kann mithilfe einer elektrischen Spannung und eines Magnetfeldes in jede Richtung gesteuert und zu schwebenden Schleifen und Quadraten geformt werden. Als Flüssigmetall wird Galinstan verwendet, eine Legierung aus Gallium, Indium und Zinn, die durch ihre hohe Oberflächenspannung die Tropfenbildung begünstigt. Wird nun eine kleine Spannung von etwa 1 V angelegt, verursacht diese eine elektrochemische Reaktion, die die Oberflächenspannung des Metalls senkt. Das Flüssigmetall wird zu einem weichen, stromführenden Faden, der einer Beeinflussung durch die Lorentz-Kraft im Magnetfeld einen minimalen Widerstand entgegensetzen. Durch elektromagnetische Induktion kann folglich eine Kraft auf den Draht ausgeübt werden. Darüber hinaus induziert die Bewegung des Metallstroms relativ zum Magnetfeld erhebliche Kräfte, die sich aus dem Lenz’schen Gesetz ergeben. Somit lassen sich die Fäden derart beeinflussen, dass sie sich auf einem vorgegebenen Weg sogar gegen die Schwerkraft bewegen und dabei kontrolliert eine festgelegte Form annehmen.

Video: University of Wollongong, Australia

Co-Autor Professor Michael Dickey von der North Carolina State University sagte, dieser sehr geringe Bewegungswiderstand erlaube eine ungewöhnlich feine Kontrolle der resultierenden Formen. „Normalerweise zerfallen strömende Flüssigkeiten in Tröpfchen. Zum Beispiel beginnen Wasserstrahlen, die aus einem Wasserhahn oder Schlauch kommen, als Zylinder, zerfallen aber schnell in Tröpfchen. Der flüssige Metalldraht hat jedoch eine fadenartige Eigenschaft, ähnlich wie schwingende Bänder in der Luft. Diese Eigenschaft ermöglichte es uns, den flüssigen Metallstrom in Schleifen und andere Formen zu lenken".

Kontaktlose Herstellungs- und Manipulationsverfahren können unerwünschte Einflüsse bei der Arbeit an kleinsten Objekten minimieren. Bereits bestehende kontaktlose Technologien umfassen die akustische Manipulation oder optische Pinzetten. Freie Flüssigkeitsströme waren bisher jedoch nur schwer auf kontaktlose Weise zu beeinflussen. Die Herausforderung für das Team von UOW bestand darin, hochgradig kontrollierte Richtungsänderungen oder komplexe Formen von Flüssigkeiten zu realisieren, insbesondere ohne dabei die Querschnittsform des Stroms zu stören.

„Die Fähigkeit, flüssige Metallströme kontaktlos zu steuern, wird die Formung elektronisch leitfähiger Flüssigkeiten für fortschrittliche Fertigung und dynamische elektronische Strukturen ermöglichen,“ stellen die Forscher in ihrer Arbeit fest.

„Die kontaktlose Manipulation von flüssigem Metall ermöglicht es uns, den Elektromagnetismus auf neue Weise zu nutzen und zu visualisieren“, sagte Yahua He, UOW Ph.D. Student und Hauptautor der Studie, die in der Januarausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht wurde.

„Non-Contact Rotation, Levitation, and Acceleration of Flowing Liquid Metal Wires“ von Yahua He, Jianbo Tang, Kourosh Kalantar-zadeh, Michael D. Dickey und Xiaolin Wang wurde online am 1. Februar 2022 von der National Academy of Sciences, USA, unter folgendem Link veröffentlicht:
https://doi.org/10.1073/pnas.2117535119

Weitere Informationen der University of Wollongong, Australia unter www.uow.edu.au