Galinstan

Legierung, physikalische Verbindung, Thermometermetall

Galinstan, ein Markenname, ist eine silbrige, eutektische Legierung aus Gallium, Indium und Zinn. Gallium, Indium und Stannum (lateinisch für Zinn) bilden das Kunstwort Galinstan. Die Legierung ist bei Raumtemperatur flüssig und geht laut Herstellerangaben bei Temperaturen unter −19 °C in den festen Aggregatzustand über (flüssig-fest Phasenübergang). Galinstan haftet an vielen Materialien, unter anderem auch an Glas, was die Anwendungen einschränkt. So können Thermometer mit Galinstan nur hergestellt werden, wenn das Innere der Röhre zuvor mit Gallium(III)-oxid beschichtet wird. Die starke Adhäsion auf vielen meist glatten Oberflächen ist auf die Oxidschicht zurückzuführen, welche sich sehr schnell an Luft bildet.[1] Ebenso wie Quecksilber bildet Galinstan leicht Legierungen mit festen Metallen; beispielsweise lässt sich Aluminium in Galinstan auflösen. Galinstan besitzt eine sehr große Oberflächenspannung von ca. 600 mN/m.[2][3][4] Im Vergleich dazu besitzt Wasser eine recht geringe Oberflächenspannung von ca. 72,75 mN/m[5] und die Oberflächenspannung von Quecksilber ist mit ca. 490 mN/m[6] auch geringer als die von Galinstan (alle bei 20 °C).

Galinstan, verrieben auf Glas

Zusammensetzung und SchmelzpunktBearbeiten

Galinstan ist eine Legierung aus Gallium (Ga), Indium (In) und Zinn (Sn). In der wissenschaftlichen Fachliteratur wird Galinstan für die eutektische Zusammensetzung (eutektische Legierung) dieser 3 Metalle verwendet. Die eutektische Zusammensetzung ist in etwa wie folgt: 68.5 wt % Ga, 21.5 wt % In, und 10 wt % Sn (hierbei steht wt% für Massenprozent).[2][7] Kleinere Abweichungen zu den Massenprozenten sind in der wissenschaftlichen Literatur zu finden. Diese Legierung besitzt einen Schmelzpunkt (Phasenübergang fest-flüssig) von ca. 11 °C, was durch dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) und rheologische Messmethoden bestätigt wurde.[8][9][10] In der Literatur ist auch oft ein Wert von −19 °C für den Schmelzpunkt angegeben.[7][11] Ein möglicher Grund für die Diskrepanz zwischen den Werten könnte das Phänomen der Unterkühlung (eng. supercooling) sein. Gallium und dessen Legierungen neigen zu Unterkühlung, was bedeutet, dass das Schmelzen und das Gefrieren nicht bei der gleichen Temperatur ablaufen. Vielmehr kann der Gefrierpunkt weit niedriger sein als der Schmelzpunkt (siehe Unterkühlung von Wasser,[12] Unterkühlung von Gallium[13]). Dies ist auch für Galinstan der Fall und es werden Gefrierpunkte von −10 - −21 °C in Literatur genannt.[2][14] Weiterhin wurde in der Fachliteratur auch eine mögliche Änderung der Zusammensetzung und ggf. auch Beimengungen anderer Metalle (zum Bsp. Bismut, Bi) als Grund für die unterschiedlichen Schmelzpunkte genannt. Diese Vermutung(en) konnten jedoch nicht erhärtet werden.

Physikalische EigenschaftenBearbeiten

Galinstan ist eine silberfarbene geruchlose Flüssigkeit[15] und weist folgende physikalische Eigenschaften auf:[2]

In der Fachliteratur werden einige physikalische Eigenschaften diskutiert (siehe hier[2]). Hierzu zählen die Eigenschaften Schmelztemperatur, Oberflächenspannung, Viskosität und Wärmeleitfähigkeit. Beim Schmelzpunkt handelt es sich wie weiter oben angemerkt wahrscheinlich um die Diskrepanz zwischen Schmelz- und Gefrierpunkt. Die hohe Reaktivität von Galinstan (und auch anderen Gallium basierten Legierungen) ist einer der Hauptgründe für die große Streuung aller Messwerte. Gallium und seine Legierungen bilden an Luft (Sauerstoff und auch in Wasser) eine selbst-limitierende Oxidschicht, die das flüssige Metall mit einer Fließgrenze ausstattet.[20] Diese Fließgrenze, die Änderung der Oberflächeneigenschaften und die veränderten Adhäsions-/Benetzungseigenschaften wirken sich auf die Messung der physikalischen Eigenschaften aus. Zum Beispiel werden Werte zwischen 535 mN/m und 718 mN/m für die Oberflächenspannung von Galinstan in der Literatur genannt.[21][22][23] Aber ein Wert von 718 mN/m ist unwahrscheinlich. Gallium besitzt eine Oberflächenspannung von ca. 711 mN/m.[6] Durch Legieren mit Indium (In, ca. 560 mN/m) oder Zinn (Sn, ca. 560 mN/m) verringert sich die Oberflächenspannung. Dies ist gut bei dem Ga-Sn System zu sehen, wo sich die Oberflächenspannung durch Zugabe von Sn von ca. 700 mN/m kontinuierlich auf ca. 540 mN/m (reines Zinn) verringert (Werte für 723 K).[24] Daher sollte die Oberflächenspannung von Galinstan (weit) niedriger sein als die Oberflächenspannung von reinem Gallium. Darüber hinaus ist die Oberflächenspannung meist nicht niedriger als die niedrigste Oberflächenspannung der reinen Metalle. Daher ist ein Wert von 535 mN/m auch unwahrscheinlich. Vielmehr sollte der Wert für Galinstan nahe am Wert für EGaIn liegen, welcher in der Literatur mit 624 mN/m angegeben wird.[25] Als Gründe für die weite Streuung ist zum einen die starke Neigung von Galinstan zur Oxidierung zu nennen. Oxidation verringert die Oberflächenspannung, jedoch ist diese dann sehr schwer zu messen, da durch die Fließgrenze die Form eines Galinstantropfens nicht mehr im Gleichgewicht ist.[26] Mithilfe von Vibrationen wurde 2021 die Oberflächenspannung von Galinstan (und EGaIn) mit Oxidschicht zu circa 360 mN/m gemessen.[26] Daher sind die Ausbildung der Fließgrenze und die Verringerung der Oberflächenspannung durch oxidation die Hauptgründe für problematische Literaturwerte der Oberflächenspannung.

Oft wird in der Literatur ein Wert von 15 W/(m·K) für die Wärmeleitfähigkeit angegeben. Dieser Wert ist jedoch geringer als der Wert für die Wärmeleitfähigkeit von EGaIn (ca. 26 W/(m·K)),[27] obwohl Galinstan und EGaIn eine ähnliche Zusammensetzung aufweisen und beide eine elektrische Leitfähigkeit von ca. 0.34 · 105 S/cm aufweisen.[4][17][27] Laut dem Wiedemann-Franz-Lorenz Gesetz ist die elektrische Leitfähigkeit mit der thermische Leitfähigkeit wie folgt verknüpft. k/σ = LT Hierbei ist T die Temperatur, L die Lorenz-Zahl, k die thermische Leitfähigkeit und σ die elektrische Leitfähigkeit. Neuere Messungen der thermischen Leitfähigkeit von Galinstan ergaben einen Wert von ca. 25 W/(m·K), was somit im Einklang mit dem Wiedemann-Franz-Lorenz Gesetz ist.[17][18] Als Ursache für abweichende Werte kommen die schwierige Benetzung von Oberflächen mit Galinstan (geringere Kontaktfläche) und das generell schwierige Messen von Wärmeleitfähigkeit in Betracht.

VerwendungBearbeiten

Galinstan wird vor allem als ungiftiger Ersatz in vielen Anwendungen eingesetzt, bei denen flüssiges Quecksilber oder Natrium-Kalium-Eutektikum (NaK) verwendet wurde; unter anderem für Fieberthermometer sowie als Gleitmittel im Hochvakuum, beispielsweise in Kathodenstrahlröhren.

Galinstan kann wegen seines Indiumgehaltes nicht als Kühlmittel für Kernreaktoren verwendet werden, denn Indium hat einen sehr hohen Neutroneneinfang-Querschnitt, wodurch dem Reaktor zu viele Neutronen entzogen würden.

Als metallische Wärmeleitpaste für Kühlkörper mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 25 W/(m·K)[17][18] übertrifft es herkömmliche Wärmeleitpasten mit Wärmeleitfähigkeiten von 1 bis 9 W/(m·K). Nachteil ist jedoch, dass Aluminiumkühlkörper durch Galinstan aufgelöst werden, weshalb es nur mit (vernickelten oder unvernickelten) Kupferkühlkörpern eingesetzt werden kann. Anders als gewöhnliche Pasten ist Galinstan elektrisch leitfähig; überschüssige Mengen können daher beim Herausquellen Kurzschlüsse verursachen.

Da es sich bei Galinstan um eine flüssige Metall-Legierung handelt, wird in der wissenschaftlichen Forschung die Anwendung von Galinstan und anderer nicht-toxischer flüssiger Metalle wegen ihrer Verformbarkeit für flexible und dehnbare Elektronik,[28] für flexible Schalter[29] und als thermisches Grenzflächen-Material[30] (siehe auch eng. thermal interface material) untersucht.

MarkennameBearbeiten

Galinstan ist ein gesetzlich geschützter Markenname, der am 10. Dezember 1996 von der Geratherm Medical AG für „im wesentlichen aus unedlen Metallen bestehende Legierungen, insbesondere Galliumlegierungen“ beim deutschen Patent- und Markenamt eingetragen wurde.

WeblinksBearbeiten

Commons: Galinstan – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Stephan Handschuh-Wang, Lifei Zhu, Tiansheng Gan, Tao Wang, Ben Wang: Interfacing of surfaces with gallium-based liquid metals – approaches for mitigation and augmentation of liquid metal adhesion on surfaces. In: Applied Materials Today. Band 21, Dezember 2020, S. 100868, doi:10.1016/j.apmt.2020.100868 (elsevier.com [abgerufen am 17. September 2021]).
  2. a b c d e f g h i j k Stephan Handschuh-Wang, Florian J. Stadler, Xuechang Zhou: Critical Review on the Physical Properties of Gallium-Based Liquid Metals and Selected Pathways for Their Alteration. In: The Journal of Physical Chemistry C. 9. September 2021, S. acs.jpcc.1c05859, doi:10.1021/acs.jpcc.1c05859.
  3. a b Stephan Handschuh-Wang, Yuzhen Chen, Lifei Zhu, Xuechang Zhou: Analysis and Transformations of Room-Temperature Liquid Metal Interfaces – A Closer Look through Interfacial Tension. In: ChemPhysChem. Band 19, Nr. 13, 2018, S. 1584–1592, doi:10.1002/cphc.201800129.
  4. a b c d e Yuriy Plevachuk, Vasyl Sklyarchuk, Sven Eckert, Gunter Gerbeth, Rada Novakovic: Thermophysical Properties of the Liquid Ga–In–Sn Eutectic Alloy. In: Journal of Chemical & Engineering Data. Band 59, Nr. 3, 18. Februar 2014, S. 757–763, doi:10.1021/je400882q.
  5. James K. Beattie, Alex M. Djerdjev, Angus Gray-Weale, Nikola Kallay, Johannes Lützenkirchen: pH and the surface tension of water. In: Journal of Colloid and Interface Science. Band 422, Mai 2014, S. 54–57, doi:10.1016/j.jcis.2014.02.003 (elsevier.com [abgerufen am 17. September 2021]).
  6. a b B. J. Keene: Review of data for the surface tension of pure metals. In: International Materials Reviews. Band 38, Nr. 4, Januar 1993, S. 157–192, doi:10.1179/imr.1993.38.4.157.
  7. a b Hanan Chanaa: Eine neuartige Metallelektrode als Alternative zur Quecksilberelektrode: Galinstan in der Voltammetrie. Berlin 2008, DNB 1023170396, urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000004871-5 (Dissertation, FU Berlin).
  8. Angabe auf goodfellow.com
  9. Datenblatt Galinstan bei AlfaAesar, abgerufen am 15. Dezember 2010 (PDF) (JavaScript erforderlich).
  10. G. N. van Ingen, J. Kapteijn, J. L. Meijering: On the system Gallium–Indium–Tin. In: Scripta Metallurgica. 1970, Band 4, Nr. 9, S. 733–736, doi:10.1016/0036-9748(70)90215-2.
  11. a b Patent EP0657023: Clinical Thermometer. Veröffentlicht am 14. Juni 1995, Erfinder: Gerd Speckbrock, Siegbert Kamitz, Marion Alt, Heribert Schmitt.
  12. Ice nucleation in nature: supercooling point (SCP) measurements and the role of heterogeneous nucleation. In: Cryobiology. Band 46, Nr. 1, 1. Februar 2003, ISSN 0011-2240, S. 88–98, doi:10.1016/S0011-2240(02)00182-7 (sciencedirect.com [abgerufen am 11. September 2021]).
  13. Lyman J. Briggs: Gallium: Thermal Conductivity; Supercooling; Negative Pressure. In: The Journal of Chemical Physics. Band 26, Nr. 4, 1. April 1957, ISSN 0021-9606, S. 784–786, doi:10.1063/1.1743405 (scitation.org [abgerufen am 11. September 2021]).
  14. Identifying surface structural changes in a newly-developed Ga-based alloy with melting temperature below 10 °C. In: Applied Surface Science. Band 492, 30. Oktober 2019, ISSN 0169-4332, S. 143–149, doi:10.1016/j.apsusc.2019.06.203 (sciencedirect.com [abgerufen am 11. September 2021]).
  15. a b c d e MSDS Galinstan (Herstellerwebseite) (PDF; 81 kB)
  16. Solidification and melting phase change behavior of eutectic gallium-indium-tin. In: Materialia. Band 8, 1. Dezember 2019, S. 100512, doi:10.1016/j.mtla.2019.100512.
  17. a b c d e Seungho Yu, Massoud Kaviany: Electrical, thermal, and species transport properties of liquid eutectic Ga-In and Ga-In-Sn from first principles. In: The Journal of Chemical Physics. Band 140, Nr. 6, 11. Februar 2014, S. 064303, doi:10.1063/1.4865105.
  18. a b c Wilson Kong, Zhongyong Wang, Meng Wang, Kenneth C. Manning, Aastha Uppal: Oxide-Mediated Formation of Chemically Stable Tungsten–Liquid Metal Mixtures for Enhanced Thermal Interfaces. In: Advanced Materials. Band 31, Nr. 44, 2019, S. 1904309, doi:10.1002/adma.201904309.
  19. Experimental investigation of galinstan based minichannel cooling for high heat flux and large heat power thermal management. In: Energy Conversion and Management. Band 185, 1. April 2019, S. 248–258, doi:10.1016/j.enconman.2019.02.010.
  20. Michael D. Dickey, Ryan C. Chiechi, Ryan J. Larsen, Emily A. Weiss, David A. Weitz: Eutectic Gallium-Indium (EGaIn): A Liquid Metal Alloy for the Formation of Stable Structures in Microchannels at Room Temperature. In: Advanced Functional Materials. Band 18, Nr. 7, 11. April 2008, S. 1097–1104, doi:10.1002/adfm.200701216 (wiley.com [abgerufen am 17. September 2021]).
  21. Tingyi Liu, Prosenjit Sen, Chang-Jin Kim: Characterization of Nontoxic Liquid-Metal Alloy Galinstan for Applications in Microdevices. In: Journal of Microelectromechanical Systems. Band 21, Nr. 2, April 2012, ISSN 1057-7157, S. 443–450, doi:10.1109/JMEMS.2011.2174421 (ieee.org [abgerufen am 17. September 2021]).
  22. V. Ya. Prokhorenko, V. V. Roshchupkin, M. A. Pokrasin, S. V. Prokhorenko, V. V. Kotov: [No title found]. In: High Temperature. Band 38, Nr. 6, 2000, S. 954–968, doi:10.1023/A:1004157827093 (springer.com [abgerufen am 17. September 2021]).
  23. Rebecca K. Kramer, J. William Boley, Howard A. Stone, James C. Weaver, Robert J. Wood: Effect of Microtextured Surface Topography on the Wetting Behavior of Eutectic Gallium–Indium Alloys. In: Langmuir. Band 30, Nr. 2, 21. Januar 2014, ISSN 0743-7463, S. 533–539, doi:10.1021/la404356r (acs.org [abgerufen am 17. September 2021]).
  24. Tomasz Gancarz: Density, surface tension and viscosity of Ga-Sn alloys. In: Journal of Molecular Liquids. Band 241, September 2017, S. 231–236, doi:10.1016/j.molliq.2017.06.002 (elsevier.com [abgerufen am 17. September 2021]).
  25. D. Zrnic, D.S. Swatik: On the resistivity and surface tension of the eutectic alloy of gallium and indium. In: Journal of the Less Common Metals. Band 18, Nr. 1, Mai 1969, S. 67–68, doi:10.1016/0022-5088(69)90121-0 (elsevier.com [abgerufen am 17. September 2021]).
  26. a b Stephan Handschuh-Wang, Tiansheng Gan, Tao Wang, Florian J. Stadler, Xuechang Zhou: Surface Tension of the Oxide Skin of Gallium-Based Liquid Metals. In: Langmuir. Band 37, Nr. 30, 3. August 2021, ISSN 0743-7463, S. 9017–9025, doi:10.1021/acs.langmuir.1c00966 (acs.org [abgerufen am 17. September 2021]).
  27. a b Seungho Yu, Massoud Kaviany: Electrical, thermal, and species transport properties of liquid eutectic Ga-In and Ga-In-Sn from first principles. In: The Journal of Chemical Physics. Band 140, Nr. 6, 14. Februar 2014, ISSN 0021-9606, S. 064303, doi:10.1063/1.4865105 (scitation.org [abgerufen am 17. September 2021]).
  28. Suqing Liang, Yaoyao Li, Yuzhen Chen, Jinbin Yang, Taipeng Zhu: Liquid metal sponges for mechanically durable, all-soft, electrical conductors. In: Journal of Materials Chemistry C. Band 5, Nr. 7, 2017, S. 1586–1590, doi:10.1039/c6tc05358k.
  29. Yuzhen Chen, Tingjiao Zhou, Yaoyao Li, Lifei Zhu, Stephan Handschuh-Wang: Robust Fabrication of Nonstick, Noncorrosive, Conductive Graphene-Coated Liquid Metal Droplets for Droplet-Based, Floating Electrodes. In: Advanced Functional Materials. Band 28, Nr. 8, 15. Januar 2018, S. 1706277, doi:10.1002/adfm.201706277.
  30. Michael D. Bartlett, Navid Kazem, Matthew J. Powell-Palm, Xiaonan Huang, Wenhuan Sun: High thermal conductivity in soft elastomers with elongated liquid metal inclusions. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 114, Nr. 9, 13. Februar 2017, S. 2143–2148, doi:10.1073/pnas.1616377114.