Учёные создали первый в мире металлический гель для безопасных аккумуляторов
Этот новаторский материал, полностью состоящий из металлов, отличается от обычных гелей, основанных на органических полимерах, которые мы привыкли видеть в повседневной жизни, например, в гелях для рук или контактных линзах. Одной из ключевых особенностей этого материала является то, что при нагревании один из металлов переходит в жидкое состояние, а другой остаётся твёрдым, образуя структуру, которая способна удерживать жидкий металл внутри себя.
Этот металлический гель открывает новые перспективы в области технологий хранения энергии, так как его уникальные свойства позволяют использовать его в условиях высоких температур, где обычные материалы быстро выходят из строя. Кроме того, возможность контролировать переход металла в жидкое состояние открывает широкие возможности для создания устройств, работающих на основе этого принципа. Таким образом, металлический гель становится не только инновационным материалом, но и источником новых технологических решений в области энергосбережения и энергоэффективности.Исследование, проводимое под руководством профессора кафедры материаловедения и инженерии Майкла Демковича и его докторанта Чарльза Боренштейна, началось с анализа поведения композитов на основе меди и тантала при высоких температурах. Ученые задались вопросом: сможет ли такая смесь выдержать нагрев до температуры плавления меди? Однако результат оказался неожиданным: расплавленная медь не растеклась, как это обычно бывает с чистым металлом, а осталась внутри структуры, образуя стабильную гелеобразную массу. Этот необычный эффект привел к дальнейшему интересу исследователей и открытию новых перспектив в области материаловедения и инженерии.Исследования показали, что создание металлических гелей возможно благодаря внутреннему ультрадисперсному каркасу, что является новым явлением в науке. Демкович отметил, что ранее подобные материалы не были описаны из-за недооценки возможности удержания жидких металлов таким образом.Особенно удивительным оказалось то, что структура металлического геля, содержащего медь, оставалась целой и не превращалась в обычную жидкость даже при доминировании жидкой фазы. Это открывает новые перспективы для разработки устойчивых материалов с необычными свойствами.Дополнительные эксперименты показали, что гелеобразное состояние сохраняется при объёмной доле тантала выше 18 процентов. Для более детального изучения внутренней структуры материала исследователи обратились к высокоразрешающему микроКТ-сканеру в Университете Техаса в Остине. Полученные данные подтвердили наличие твёрдого каркаса из тантала, который удерживает расплавленную медь в своих порах. Это открывает новые возможности для использования металлических гелей в различных областях науки и техники.Эксперт: В поисках новых материалов для создания более эффективных аккумуляторов, команда исследователей обратила внимание на медь и тантал. Хотя сами по себе эти материалы не подходят для использования в аккумуляторах, их свойства послужили источником вдохновения. Открытие вдохновило команду применить аналогичный принцип к материалам, пригодным для электродов. В лабораторных условиях был собран прототип жидкостного металлического аккумулятора (LMB). В качестве анода использовалась смесь жидкого кальция и твёрдого железа, а в качестве катода — жидкий висмут с железным каркасом. Электролитом выступил расплавленная соль, способная проводить ионы при высоких температурах. Эксперимент показал, что аккумулятор успешно вырабатывает электричество, что является важным шагом в развитии новых технологий хранения энергии. Кроме того, электроды сохранили форму и функциональность, что говорит о потенциале данного подхода для создания более долговечных и эффективных аккумуляторов.Жидкостные металлические аккумуляторы, известные своей высокой эффективностью в хранении и передаче больших объемов энергии, а также долговечностью за счет отсутствия износа жидких компонентов, долгое время ограничивались использованием в стационарных системах, например, для обеспечения резервного питания зданий. Однако возникла проблема смещения жидких электродов в движущихся объектах, что могло привести к коротким замыканиям. Для решения этой проблемы был предложен металлический гель, способный удерживать жидкую фазу в нужной геометрии.Согласно мнению ученых, перспективное применение таких аккумуляторов может быть связано с транспортными системами, способными выдерживать высокие рабочие температуры. Например, на крупных судах или в тяжелой промышленной технике. Это открывает новые возможности для энергетических решений в области транспорта и промышленности, где требуется надежное и эффективное хранение энергии.Исследование, результаты которого опубликованы в журнале Advanced Engineering Materials, выполнено при поддержке Министерства энергетики США и Нацуправления по ядерной безопасности. Эксперт по материаловедению Демкович выдвигает более амбициозную задачу: использование подобных батарей для питания гиперзвуковых летательных аппаратов, разрабатываемых в рамках консорциума при университете. Эти аппараты работают в условиях экстремального нагрева, где обычные источники энергии оказываются непригодными.Подобные исследования являются ключевыми для развития технологий, способных справиться с вызовами современного мира. Гиперзвуковые летательные аппараты представляют собой инновационные технические решения, требующие новых подходов к источникам энергии. В этом контексте использование специальных батарей становится необходимостью.Такие исследования не только способствуют развитию технологий в области авиации и космонавтики, но и имеют потенциал для применения в других отраслях, где требуется надежный и эффективный источник энергии в условиях экстремальных температур.Источник и фото - nia.eco
