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液体金属とは、室温または室温付近で液体である金属または金属合金のことである。[ 1 ]
室温で安定な液体の元素金属は水銀(Hg) のみで、これは −38.8 °C (234.3 K、−37.9 °F) 以上で溶融します。さらに安定な元素金属が 3 つ、室温よりわずかに高い温度で溶融します。セシウム(Cs) は融点が 28.5 °C (83.3 °F)、ガリウム(Ga) は 30 °C (86 °F)、ルビジウム(Rb) は 39 °C (102 °F) です。放射性金属フランシウム(Fr) もおそらく室温付近で液体です。計算によると、放射性金属コペルニシウム(Cn) とフレロビウム(Fl) も室温で液体であると予測されています。[ 2 ]
合金は共晶を形成すると液体になる。共晶とは、合金の融点が構成金属のいずれよりも低いことを意味する。液体合金を作るための標準的な金属はかつて水銀であったが、室温での蒸気圧と毒性の両方が低いガリウム系合金がさまざまな用途で代替として使用されている。[ 3 ] [ 4 ]
室温で液体である合金系は、通常の非金属液体よりもはるかに優れた熱伝導率を持ち[ 5 ]、液体金属が熱源から液体へ効率的にエネルギーを伝達することを可能にします。また、電気伝導率も高いため、電磁ポンプによって液体をより効率的に汲み上げることができます[ 6 ] 。このため、これらの材料は特定の熱伝導および/または放熱用途に使用されます。
液体合金系のもう一つの利点は、その固有の高い密度である。
液体金属の粘度は、特に合金の場合、液体の原子組成によって大きく変化する可能性があります。特に、液体金属の粘度の温度依存性は、標準的なアレニウスの法則依存性から、 Vogel–Fulcher–Tammann 式で経験的に示されるような、はるかに急な (非アレニウス) 依存性まで、幅広く変化する可能性があります。このような大きな変動性を、根底にある原子間相互作用の観点から捉える液体金属の粘度の物理モデルも開発されました。[ 7 ]
液体金属の電気抵抗は、ジマンの式を用いて推定することができる。この式は、中性子散乱またはX線散乱測定によって決定できる液体の静的構造因子を用いて抵抗値を表す。
酸化物が基板表面から除去されると、ほとんどの液体金属はほとんどの金属表面を濡らします。室温では、液体金属は金属表面に対して反応性があり溶解性がありますが、一部の固体金属は一般的な液体金属による攻撃に対して耐性があります。 [ 8 ]例えば、ガリウムはタングステンとタンタルを除くすべての金属に対して腐食性があり、タングステンとタンタルはニオブ、チタン、モリブデンよりも腐食に対する耐性が高いです。[ 9 ]
インジウムと同様に、ガリウムおよびガリウム含有合金は、ガラスや石英などの多くの非金属表面を濡らす性質を持っています。合金を表面に優しく擦り込むことで、濡れ性を高めることができます。しかし、「ガラス表面に擦り込むことで濡れる」というこの観察結果から、ガリウム系液体金属がガラス表面を濡らすという誤解が広く広まっています。まるで液体が酸化皮膜を剥がして表面を濡らすかのようです。実際はその逆で、酸化皮膜が液体をガラスに濡らす原因となっています。さらに詳しく説明すると、液体をガラス表面に擦り込んで広げると、液体は酸化してガラス表面を薄い酸化物（固体）の層で覆い、その上に液体金属が濡れるのです。つまり、観察されているのは、ガラスではなく、ガリウム系液体金属が自身の固体酸化物を濡らしている様子なのです。どうやら、この誤解は、微量の酸素でも液体ガリウムが超高速で酸化されることが原因で、UCLAの研究で室温で液体のガリウム合金であるガリンスタンを無酸素環境でテストするまで、ガラス上での液体ガリウムの真の挙動は誰も観察できなかったようです。[ 10 ]
これらの合金は、薄く鈍い外観の酸化皮膜を形成するが、これは軽く撹拌するだけで容易に分散する。酸化皮膜のない表面は明るく光沢がある。
液体金属の用途には、サーモスタット、スイッチ、気圧計、熱伝達システム、熱冷却および加熱設計などがあります。また、非金属表面と金属表面の間で熱や電気を伝導するためにも使用できます。流動性が高いため、材料の変形性が重要なウェアラブルデバイスや医療機器にも応用できる可能性があります。[ 4 ] [ 3 ]
液体金属は、その高い熱伝導率のため、冷却器とプロセッサ間の熱界面材料として使用されることがあります。PlayStation 5ビデオゲーム機は、コンソール内部のコンポーネントを冷却するために液体金属を使用しています。[ 11 ]液体金属冷却式原子炉も液体金属を使用しています。
液体金属は、疲労することなく屈曲する相互接続部を作るなど、生物学的用途に使用されることがあります。ガリンスタンは特に毒性がないため、液体金属を芯材とするシリコーン製のワイヤーは、繊細な脳組織が従来の固体インプラントに耐えられない心臓内ペースメーカーや神経インプラントに理想的です。実際、この材料で作られたワイヤーは、元の長さの3倍、あるいは5倍に伸ばしても電気を通し、損失なく元のサイズと形状に戻ります。[ 12 ]
液体金属は、高い表面張力と流体変形性という独自の組み合わせにより、ソフトアクチュエータの作成に有用である。[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]液体金属アクチュエータの力発生メカニズムは、通常、表面張力の変調によって実現される。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]例えば、液体金属の液滴は、表面張力が増加すると収縮を生じるように、2 つの可動部品 (例えば、ロボットシステム) を橋渡しするように設計することができる。 [ 19 ]液体金属アクチュエータにおける筋肉のような収縮の原理は、他の固体材料に比べて液体特有の利点をいくつか提供する次世代人工筋肉としての可能性について研究されている。 [ 20 ]
液体鏡望遠鏡は、回転するタンクを通して放物線状に形成された液体金属を反射望遠鏡の主鏡として使用することができます。[ 21 ]
スパレーション中性子源は、液体金属を標的として用いてパルス状の中性子ビームを生成する。
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