Galio: el metal líquido que podría transformar la electrónica blanda

Cada vez que usted se sienta con su teléfono en el bolsillo trasero de su pantalón, se recuerda de una verdad fundamental: los cuerpos humanos son suaves y flexibles. La electrónica no lo es.

Pero pronto podrían existir dispositivos que puedan estirarse, doblarse e incluso repararse a sí mismos cuando se dañan. Aprovechando las inusuales propiedades de un metal líquido llamado galio, los científicos de materiales pretenden crear una nueva generación de dispositivos flexibles para interfaces de realidad virtual, monitores médicos, dispositivos de detección de movimiento y otros.

El objetivo es tomar la funcionalidad de la electrónica y hacerla más suave, dice Michael Dickey, ingeniero químico de la Universidad Estatal de Carolina del Norte. “El cuerpo y otros sistemas naturales han descubierto cómo hacerlo. Así que seguro que podemos hacerlo”.

La electrónica plegable también puede hacerse con metales convencionales. Pero el metal sólido puede fatigarse y romperse, y cuanto más se le añade a un material blando, más inflexible se vuelve el material. Los metales líquidos no tienen ese problema, dice Dickey —pueden doblarse, estirarse y retorcerse con poco o ningún daño—.

La flexibilidad resulta ser solo una de las propiedades útiles del galio. Al ser un metal, conduce fácilmente el calor y la electricidad. A diferencia del más conocido metal líquido, el mercurio, tiene una baja toxicidad y presión de vapor, por lo que no se evapora fácilmente.

El galio fluye tan fácilmente como el agua. Pero expuesto al aire, también forma rápidamente una capa de óxido exterior rígida, lo que le permite adoptar fácilmente formas semi-sólidas. La tensión superficial, que es 10 veces mayor que la del agua, puede incluso variarse sumergiendo el metal líquido en agua salada y aplicando un voltaje.

“Soy parcial, así que tómelo por lo que vale. Pero creo que es uno de los materiales más interesantes de la tabla periódica porque tiene muchas propiedades únicas”, dice Dickey, coautor de una revisión general sobre el galio en el Annual Review of Materials Research de 2021.

El interés por el galio se rezagó en el pasado en parte por la injusta asociación con el mercurio tóxico, y en parte porque su tendencia a formar una capa de óxido se consideraba negativa. Pero con el creciente interés por la electrónica flexible y, sobre todo, por la electrónica que se puede llevar puesta, muchos investigadores están prestando una mayor atención.

Para fabricar circuitos plegables con galio, los científicos lo convierten en finos hilos incrustados entre láminas de goma o plástico. Estos hilos pueden conectar diminutos dispositivos electrónicos como chips de computadora, condensadores y antenas. El proceso crea un dispositivo que podría, por ejemplo, envolverse alrededor de un brazo y utilizarse para seguir el movimiento, la velocidad o las señales vitales de un atleta, dice Carmel Majidi, ingeniero mecánico de la Universidad Carnegie Mellon.

Estos alambres y circuitos de metal líquido pueden soportar flexiones o torsiones significativas. A modo de demostración, Dickey fabricó unos cables para auriculares que pueden estirarse hasta ocho veces su longitud original sin romperse. Otros circuitos pueden curarse a sí mismos cuando se rasgan —cuando los bordes se colocan unos contra otros, el metal líquido vuelve a unirse—.

Los circuitos de galio también pueden imprimirse y aplicarse directamente sobre la piel, como un tatuaje temporal. La “tinta” funciona como un electrodo convencional, del tipo que se utiliza para monitorizar la actividad del corazón o del cerebro, dice Majidi, que hizo un circuito de este tipo imprimiendo el metal en un material flexible. Los tatuajes son más flexibles y duraderos que los electrodos existentes, lo que los hace prometedores para su uso a largo plazo.

La cualidad de poder cambiar de forma del metal líquido abre otros usos potenciales. Cuando el metal se aprieta, se estira y se retuerce, su forma cambia, y el cambio de geometría también modifica su resistencia eléctrica. Así, al hacer pasar una pequeña corriente por una malla de hilos de galio, los investigadores pueden medir cómo se retuerce, estira y presiona el material.

Este principio podría aplicarse para crear guantes con sensores de movimiento para la realidad virtual: si una malla de hilos de galio estuviera incrustada dentro de una película fina y suave en el interior del guante, una computadora podría detectar los cambios de resistencia a medida que el usuario mueve la mano.

“Se podría utilizar para rastrear el movimiento de su propio cuerpo, o las fuerzas con las que está en contacto, y luego transmitir esa información a lo que sea el mundo virtual que esté experimentando”, dice Majidi.

Esta propiedad plantea incluso la posibilidad de que haya máquinas que utilicen lo que Dickey llama “lógica suave” para funcionar. En lugar de requerir la computación, las máquinas que utilizan la lógica suave tienen reacciones simples basadas directamente en los cambios de la resistencia eléctrica a través de la red. Pueden diseñarse de forma que, al empujar, tirar o doblar diferentes partes de la rejilla se activen diferentes respuestas. Como demostración, Dickey creó un dispositivo que puede encender y apagar motores o luces dependiendo enteramente de dónde se presione el material.

“Aquí no hay semiconductores. No hay transistores, no hay cerebro, solo se basa en la forma en que se toca el material”, dice Dickey.

Una lógica de bajo nivel basada en el tacto como esta podría utilizarse para incorporar la capacidad de respuesta a los dispositivos, algo parecido a la construcción de reflejos en los robots blandos —tales reacciones no requieren un “cerebro” complejo para procesar la información, sino que pueden reaccionar directamente en respuesta a los estímulos del entorno, cambiando el color o las propiedades térmicas o redirigiendo la electricidad— .

Y esa capa de óxido exterior que se forma cuando el galio se expone al aire se está aprovechando ahora. La capa de óxido permite que el metal mantenga su forma, y abre todo tipo de posibilidades de patrones y fabricación. Las pequeñas gotas de galio pueden apilarse unas encima de otras. Una gota de galio puede arrastrarse a lo largo de una superficie, dejando un fino rastro de óxido que puede utilizarse como circuito.

Además, en el agua se puede hacer que la capa de óxido se forme y desaparezca aplicando una cantidad ínfima de voltaje, lo que hace que las gotas se formen y colapsen al instante. Al cambiar de un lado a otro, Dickey puede hacer que las perlas muevan un peso hacia arriba y hacia abajo. Con el perfeccionamiento, esta propiedad podría constituir la base de músculos artificiales para robots, afirma.

Dickey admite que la tecnología está aún en sus primeras fases y que el trabajo realizado hasta ahora solo sugiere cómo podría comercializarse. Pero el galio tiene tantas propiedades interesantes que está destinado a ser útil en la electrónica blanda y la robótica, dice.

Compara este campo con los primeros tiempos de la informática. Aunque las primeras computadoras experimentales hechas con tubos de vacío e interruptores mecánicos eran toscas para los estándares actuales, establecieron principios que dieron lugar a la electrónica moderna.

Majidi dice que también espera ver el uso comercial del metal líquido en un futuro próximo.

“En los próximos años, va a ver cada vez más esta transición de las tecnologías de metal líquido en la industria, en el mercado”, dice. “En este momento no se trata tanto de un cuello de botella técnico. Se trata de encontrar aplicaciones comerciales y usos del metal líquido que realmente marquen la diferencia”.

Artículo traducido por Debbie Ponchner