Hợp kim lỏng là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa hợp kim lỏng

Hợp kim lỏng là các tổ hợp kim loại (và đôi khi bao gồm cả phi kim) tồn tại ở trạng thái lỏng trong điều kiện nhiệt độ cụ thể, có thể là nhiệt độ phòng hoặc cao hơn tùy vào thành phần. Không giống với kim loại nóng chảy đơn thuần trong luyện kim, hợp kim lỏng được nghiên cứu và ứng dụng như một loại vật liệu chức năng với tính chất cơ học, điện học và hóa học đặc biệt. Một số hợp kim lỏng có thể duy trì trạng thái lỏng ở nhiệt độ phòng, tạo ra những khả năng ứng dụng mới trong điện tử mềm, robot mềm, làm mát, và y sinh.

Ví dụ điển hình là EGaIn – hợp kim eutectic giữa gallium (Ga) và indium (In), có nhiệt độ nóng chảy 15.7°C, do đó thường ở trạng thái lỏng trong điều kiện bình thường. Cũng có những hợp kim như Galinstan (gồm gallium, indium và thiếc) có nhiệt độ nóng chảy dưới 0°C, hoàn toàn thay thế thủy ngân mà không gây độc hại sinh học. Chính tính lỏng ở nhiệt độ thấp đã làm cho hợp kim lỏng trở thành lớp vật liệu linh hoạt cho những công nghệ mới.

Về cơ bản, hợp kim lỏng được phân biệt với hợp kim rắn truyền thống bởi trạng thái vật lý trong môi trường hoạt động và khả năng thay đổi hình dạng tức thời trong khi vẫn giữ được các tính chất chức năng như dẫn điện, dẫn nhiệt và phản ứng bề mặt.

Đặc điểm vật lý và hóa học của hợp kim lỏng

Hợp kim lỏng có mật độ cao, thường dao động trong khoảng 6–8 g/cm³ (tùy loại), khả năng dẫn điện tốt với điện trở suất thấp, và hệ số dẫn nhiệt có thể so sánh với đồng. Độ nhớt thấp hơn thủy ngân giúp chúng dễ dàng thay đổi hình dạng và phản ứng nhanh với lực cơ học hoặc điện trường. Ngoài ra, một số hợp kim lỏng tạo lớp oxit siêu mỏng (dưới 3 nm) trên bề mặt, giúp ổn định hình dạng và cho phép chúng bám dính lên các bề mặt khác.

Các thông số tiêu biểu của một số hợp kim lỏng thường dùng:

Tên hợp kim	Nhiệt độ nóng chảy (°C)	Điện trở suất (µΩ·cm)	Dẫn nhiệt (W/m·K)
EGaIn	15.7	29.4	26.4
Galinstan	-19	16.5	35.0
NaK	-12.6	~9.0	~25.0

Do phản ứng mạnh với oxy, nhiều hợp kim lỏng có lớp oxit bề mặt hình thành ngay lập tức khi tiếp xúc với không khí. Lớp này có vai trò vừa bảo vệ, vừa tạo hiệu ứng bám dính – là yếu tố được khai thác trong in mạch linh hoạt và tạo cấu trúc 3D tự nâng đỡ. Tuy nhiên, trong một số ứng dụng cần dòng chảy liên tục, lớp oxit này là trở ngại và cần được kiểm soát thông qua môi trường khử (ví dụ acid hydrochloric loãng).

Các loại hợp kim lỏng phổ biến

Hiện nay có ba nhóm hợp kim lỏng chính được sử dụng và nghiên cứu nhiều nhất, dựa trên thành phần kim loại nền:

• Gallium-based alloys: EGaIn, Galinstan – an toàn sinh học, không độc, dẫn điện tốt
• Alkali-based alloys: NaK, NaCs – phản ứng mạnh, dùng trong truyền nhiệt công nghiệp
• Kim loại quý nóng chảy: Au-Si, Pt-based alloys – chủ yếu ứng dụng trong nghiên cứu vật lý trạng thái lỏng

Trong đó, nhóm gallium-based là lựa chọn phổ biến nhất trong lĩnh vực điện tử mềm và cảm biến vì có nhiệt độ nóng chảy thấp, không độc, dễ xử lý và có thể tích hợp với vật liệu đàn hồi. Galinstan – gồm gallium (68.5%), indium (21.5%) và thiếc (10%) – được dùng để thay thế thủy ngân trong nhiệt kế và làm mát thiết bị y sinh.

Thông tin chi tiết về các hệ hợp kim này có thể tham khảo trong tổng quan tại Chemical Reviews – Liquid Metal Alloys, trong đó cung cấp dữ liệu vật lý và phân tích ứng dụng liên ngành của hơn 50 loại hợp kim lỏng khác nhau.

Hiện tượng sức căng bề mặt và lớp oxit

Sức căng bề mặt là đặc điểm nổi bật nhất của hợp kim lỏng, với giá trị có thể lên đến 500–700 mN/m – cao hơn nhiều so với nước (~72 mN/m) hoặc thủy ngân (~485 mN/m). Chính vì vậy, giọt hợp kim lỏng có xu hướng co tròn mạnh và khó dàn mỏng tự nhiên nếu không có tác động bên ngoài. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến việc in mạch hoặc kiểm soát dòng chảy trong vi hệ thống.

Tuy nhiên, lớp oxit mỏng hình thành trên bề mặt (thường là $\text{Ga}_2\text{O}_3$ đối với hợp kim chứa gallium) đóng vai trò như một lớp “vỏ” giữ hình dạng, giúp cố định cấu trúc mà không cần khuôn vật lý. Khi có oxit, giọt kim loại có thể được kéo dài, định hình hoặc dán vào bề mặt polyme như PDMS hoặc TPU mà không bị co lại.

Việc điều chỉnh lớp oxit có thể được thực hiện bằng các phương pháp:

• Sử dụng dung dịch acid yếu (HCl loãng) để loại bỏ oxit tạm thời
• Điều chỉnh pH môi trường hoặc sử dụng bầu khí trơ (argon, nitrogen)
• Ứng dụng điện trường để kiểm soát độ dày oxit và sức căng bề mặt

Sự kết hợp giữa sức căng bề mặt cao và lớp oxit mỏng đã tạo nên một “nền tảng cấu trúc lỏng ổn định” – cho phép in, khắc, hoặc di chuyển hợp kim lỏng trên bề mặt 2D và 3D mà không bị chảy loang hoặc vỡ hình.

Ứng dụng trong điện tử mềm và cảm biến linh hoạt

Hợp kim lỏng, đặc biệt là các hệ dựa trên gallium, đang đóng vai trò trung tâm trong lĩnh vực điện tử mềm (soft electronics) và hệ thống cảm biến uốn dẻo. Tính chất dẫn điện tốt (chỉ thấp hơn đồng và bạc), khả năng kéo dãn mà không đứt mạch và khả năng tái tạo hình dạng sau biến dạng giúp chúng vượt trội so với dây dẫn kim loại thông thường hoặc mực dẫn truyền thống.

Các cấu trúc mạch tích hợp sử dụng EGaIn hoặc Galinstan có thể được in trực tiếp trên các nền đàn hồi như PDMS, Ecoflex hoặc polyurethane, và duy trì khả năng dẫn điện sau khi bị kéo giãn, xoắn hoặc gấp lại. Ngoài ra, khi kết hợp với các cảm biến áp suất, biến dạng hoặc nhiệt độ, hợp kim lỏng cho phép tạo nên hệ thống theo dõi sinh học gắn lên da (skin-mounted devices).

Một ví dụ điển hình là mạch anten mềm có thể kéo giãn đến 500% mà không làm đứt mạch. Công nghệ này mở đường cho các thiết bị đeo thông minh, phục hồi tín hiệu trong mạch tự hàn nhờ dòng chảy của kim loại lỏng. Thông tin thêm tại Nature – Liquid Metals in Stretchable Electronics.

Ứng dụng trong robot mềm và truyền động cơ học

Khả năng biến dạng linh hoạt và phản ứng với kích thích ngoài khiến hợp kim lỏng trở thành vật liệu lý tưởng cho cơ cấu truyền động (actuator) và các bộ phận có thể điều khiển hình dạng trong robot mềm. Không giống như động cơ cơ khí truyền thống, hợp kim lỏng có thể di chuyển hoặc thay đổi trạng thái dưới tác động của điện áp, từ trường hoặc nhiệt độ.

Một số nghiên cứu đã phát triển robot bơi mềm sử dụng dòng chảy định hướng của hợp kim lỏng để tạo lực đẩy. Ngoài ra, các ống chứa kim loại lỏng bên trong robot có thể thay đổi áp suất hoặc hình dạng nhằm mô phỏng chuyển động sinh học như co duỗi cơ, bò hoặc lăn.

Khái niệm “robot không khung” (frame-free robot) sử dụng mạng ống bơm hợp kim lỏng có khả năng tái cấu trúc đang là chủ đề nghiên cứu tích cực. Tham khảo công trình tại Science Advances – Reconfigurable Liquid Metal Machines.

Ứng dụng trong làm mát và dẫn nhiệt

Do có độ dẫn nhiệt cao (từ 25 đến 40 W/m·K), hợp kim lỏng là lựa chọn lý tưởng cho các giải pháp tản nhiệt, đặc biệt trong hệ thống điện tử công suất lớn như bộ vi xử lý, pin lithium-ion, và các thiết bị RF. Khả năng tự làm đầy khoảng trống giữa chip và heatsink giúp giảm điện trở nhiệt tiếp xúc.

Galinstan là vật liệu thay thế phổ biến cho keo tản nhiệt nhờ không độc và ổn định hóa học. Một số hệ thống làm mát chủ động sử dụng bơm vi lưu dẫn hợp kim lỏng trong các kênh vi mô để tạo dòng tuần hoàn, giúp kiểm soát nhiệt độ cục bộ trong thời gian thực.

Trong ngành năng lượng hạt nhân, hợp kim NaK (natri-kali) được dùng làm môi chất truyền nhiệt trong lò phản ứng nhanh, nhờ điểm nóng chảy thấp và khả năng lưu chuyển không cần bơm cơ khí. Tuy nhiên, do phản ứng mạnh với nước và oxy, hệ này cần bảo quản nghiêm ngặt.

Rủi ro và độc tính tiềm ẩn

Tuy không độc như thủy ngân, một số hợp kim lỏng vẫn tiềm ẩn rủi ro an toàn. Gallium có khả năng xâm nhập vào mạng tinh thể của nhôm, làm suy yếu cơ học và gây gãy giòn – điều này đặc biệt quan trọng trong an toàn hàng không hoặc thiết bị có khung nhôm.

NaK, dù dẫn nhiệt rất tốt, có tính phản ứng cực cao – có thể bốc cháy khi tiếp xúc nước hoặc không khí ẩm. Các hợp kim chứa indium cũng cần đánh giá về nguy cơ tích lũy sinh học nếu tiếp xúc lâu dài.

Việc sử dụng hợp kim lỏng trong môi trường y sinh hoặc tiêu dùng cần tuân thủ các tiêu chuẩn nghiêm ngặt từ các tổ chức như OSHA và EPA. Cần có lớp bao bọc ngăn rò rỉ và kiểm tra độ bền sinh học trước khi đưa vào cơ thể hoặc thiết bị gắn lên da.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

Các hướng nghiên cứu hiện nay tập trung vào:

• Phát triển hợp kim lỏng mới có điểm nóng chảy thấp hơn, phù hợp môi trường sống
• Tăng độ ổn định bề mặt và kiểm soát dòng chảy bằng điện trường hoặc laser
• Tích hợp vật liệu nano như graphene, carbon nanotube để tăng tính chất cơ – điện

Một xu hướng quan trọng là kết hợp hợp kim lỏng vào vật liệu metamaterials – tạo nên các hệ có thể biến đổi hình học theo thiết kế lập trình, phản ứng với môi trường và tái cấu trúc khi cần. Điều này mở ra khả năng ứng dụng trong công nghệ mạch logic mềm, vải thông minh và cảm biến sinh học có khả năng học hỏi.

Các nhóm nghiên cứu tại Đại học Carnegie Mellon, Harvard, và Tsinghua đang phát triển chip mềm có mạch hợp kim lỏng có thể hoạt động dưới biến dạng hoặc thậm chí “tự chữa lành” sau hư hỏng.

Tài liệu tham khảo

1. Liu, T., et al. (2021). "Liquid Metals." Chemical Reviews. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.0c00830
2. Dickey, M.D. (2020). "Stretchable and Soft Electronics Using Liquid Metals." Nature. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2400-2
3. Yao, Y., et al. (2020). "Reconfigurable Liquid Metal Machines." Science Advances. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abc0251
4. U.S. Occupational Safety and Health Administration (OSHA). https://www.osha.gov/
5. U.S. Environmental Protection Agency (EPA). https://www.epa.gov/