Nieoczekiwane znalezisko podczas rutynowych badań
Historia tego materiału zaczęła się od zwykłego eksperymentu w laboratorium. Zespół badawczy obserwował zachowanie kompozytów miedzi i tantalu poddawanych działaniu wysokiej temperatury. Gdy Charles Borenstein umieścił próbkę w piecu rozgrzanym do temperatury topnienia miedzi, spodziewał się typowego roztopienia się metalu. Dalsze analizy pokazały, że efekt utrzymywania się struktury żelowej pojawia się przy każdej kombinacji metali, gdzie objętość tantalu przekracza 18 procent. Wysokorozdzielcze skanowanie mikro-CT potwierdziło, że tantal tworzy mikroskopijną strukturę nośną, która zatrzymuje ciekłą miedź w swoich porach.
Czytaj też: Te pedały zwiększają widoczność rowerzysty aż 5,5 razy
W przeciwieństwie do konwencjonalnych żeli, które znamy z codziennego użytku, metaliczny żel powstaje w ekstremalnie wysokich temperaturach. Proces wytwarzania polega na zmieszaniu dwóch metalicznych proszków i podgrzaniu ich do około 1000 stopni Celsjusza. W tych warunkach jeden metal przechodzi w stan ciekły, podczas gdy drugi zachowuje postać stałą, tworząc wewnętrzny szkielet.
Żele metaliczne nigdy wcześniej nie były zgłaszane, prawdopodobnie dlatego, że nikt nie sądził, iż ciekłe metale mogą być podtrzymywane przez wewnętrzny, ultradrobny szkielet – zauważa Michael J. Demkowicz z Texas A&M University
Choć połączenie miedzi i tantalu nie nadaje się do praktycznego wykorzystania w bateriach, pozwoliło naukowcom zrozumieć mechanizmy rządzące tworzeniem się tej niezwykłej struktury. Kolejnym etapem badań było sprawdzenie tej koncepcji z wykorzystaniem metali stosowanych w akumulatorach.
Nowe możliwości dla mobilnych systemów energetycznych
Akumulatory wykorzystujące ciekłe metale mogą przechowywać znacznie więcej energii niż popularne baterie litowo-jonowe. Dotychczasowym ograniczeniem była ich wrażliwość na ruch, gdyż przemieszczanie się płynnego metalu wewnątrz urządzenia prowadziło do zwarć i utraty mocy. Z tego powodu nadawały się wyłącznie do zastosowań stacjonarnych. Żel metaliczny rozwiązuje ten problem. Zespół badawczy stworzył prototyp baterii z dwiema elektrodami w formie sześcianów. Anoda składała się z mieszaniny ciekłego wapnia i stałego żelaza, katoda zaś z ciekłego bizmutu i żelaza. Po zanurzeniu w stopionej soli pełniącej funkcję elektrolitu, układ generował energię elektryczną, zachowując przy tym stabilność kształtu.
Czytaj też: Chiński robot humanoidalny w cenie smartfona. Bumi kosztuje jedynie 1380 dolarów
To otwiera drogę do zastosowania takich rozwiązań w statkach, ciężkim sprzęcie przemysłowym czy nawet pojazdach hipersonicznych, które operują w bardzo wysokich temperaturach. Demkowicz wskazuje również na potencjał stworzenia żelowego kompozytowego elektrolitu – stopionej soli utrzymywanej przez ceramiczne rusztowanie. Taka konstrukcja mogłaby dodatkowo poprawić bezpieczeństwo i stabilność mobilnych akumulatorów z ciekłym metalem. Od przypadkowego odkrycia podczas rutynowych badań do funkcjonalnego prototypu – teksańscy naukowcy pokazali, że przełomowe pomysły często pojawiają się w najmniej oczekiwanych momentach. Ich metaliczny żel może stać się podstawą dla nowej generacji systemów magazynowania energii, które będą nie tylko bardziej wydajne, ale też prawdziwie mobilne.