Composieten gemaakt van zelfassemblerende anorganische materialen worden gewaardeerd om hun unieke sterkte en thermische, optische en magnetische eigenschappen. Echter, omdat zelfassemblage moeilijk te controleren kan zijn, de gevormde structuren kunnen zeer ongeordend zijn, leidend tot defecten tijdens grootschalige productie. Onderzoekers van de Universiteit van Illinois en de Universiteit van Michigan hebben een sjabloontechniek ontwikkeld die meer orde schept en aanleiding geeft tot nieuwe 3D-structuren in een speciale klasse van materialen, eutectica genoemd, nieuw vormen, hoogwaardige materialen.

De bevindingen van de gezamenlijke studie zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

Eutectische materialen bevatten elementen en verbindingen die verschillende smelt- en stoltemperaturen hebben. Wanneer gecombineerd, echter, het gevormde composiet heeft enkele smelt- en vriestemperaturen, zoals wanneer zout en water worden gecombineerd om pekel te vormen, die bevriest bij een lagere temperatuur dan alleen water of zout, aldus de onderzoekers. Wanneer een eutectische vloeistof stolt, de afzonderlijke componenten worden gescheiden, het vormen van een samenhangende structuur - meestal in een gelaagde vorm. Het feit dat eutectische materialen zichzelf assembleren tot composieten, maakt ze zeer wenselijk voor veel moderne technologieën, variërend van hoogwaardige turbinebladen tot soldeerlegeringen.

"Het hebben van een enkel smeltpunt heeft voordelen bij de verwerking van composietmaterialen, " zei Paul Braun, een professor in materiaalkunde en engineering en directeur van het Materials Research Lab aan de U. of I., die het project leidde. "In plaats van afzonderlijke lagen materiaal af te zetten, we beginnen met een vloeistof die zichzelf assembleert terwijl hij stolt. Dit kan de productie versnellen en stelt ons in staat om grotere volumes in één keer te maken."

Echter, zelfmontage kan tot problemen leiden, hij zei, omdat het ongecontroleerde karakter defecten kan vormen.

"Sjablonen is een gangbare praktijk die wordt gebruikt bij de verwerking van organische polymeren, " zei Ashish Kulkarni, een afgestudeerde student uit Illinois en de eerste auteur van de studie. "Echter, het is niet iets dat is onderzocht in de verwerking van anorganische materialen, omdat anorganische microstructuren stijver en moeilijker te controleren zijn."

Om dit proces in het laboratorium te demonstreren, het team bouwde sjablonen met kleine paaltjes die in zeshoekige vormen waren gerangschikt om het opnieuw stollen van een smelt met zilverchloride en kaliumchloride te beheersen - een eutectisch materiaal dat van nature lagen vormt als het afkoelt.

"Als het niet wordt gecontroleerd, de enige microstructuren die dit systeem zal vormen zijn lagen, " zei Katsuyo Thornton, een professor in materiaalkunde en techniek in Michigan, die computersimulaties uitvoerde met afgestudeerde student Erik Hanson, beiden zijn co-auteurs van de studie. "We kunnen de afkoelsnelheid variëren om de lagen dikker of dunner te maken, maar het patroon blijft hetzelfde. Door een sjabloon toe te voegen waar de vloeistof omheen stolt, we hoopten dat er nieuwe patronen zouden ontstaan."

Het team ontdekte dat naarmate het zilver- en kaliumchloride smelten om te stollen rond de zeshoekige sjablonen, de palen staan ​​de laagvorming in de weg en produceren een composiet met een reeks verschillende vierkante, driehoekige en honingraatvormige microstructuren in plaats daarvan - de specifieke structuur hangt af van de afstand tussen de palen op de sjabloon.

"Het herhalende karakter van deze sjablonen en nieuw gevormde structuren verkleint de kans op het ontstaan ​​van defecten, "Zei Braun. "Dus, we hebben niet alleen opwindende nieuwe microstructuren gevormd, maar we hebben ook het aantal defecten in het resulterende composietmateriaal verminderd."

De onderzoekers gaan onderzoeken hoe de nieuwe microstructuren de fysieke eigenschappen van een breed scala aan eutectische materialen beïnvloeden.

"De materialen die we in onze experimenten hebben gebruikt, zijn transparant, dus de eerste richting om in te gaan zou kunnen zijn om optische materialen te verkennen, en er is veel potentieel op het gebied van fotonische kristallen, " zei Braun. "We zijn nog ver verwijderd van echte toepassing, maar de mogelijkheden zijn legio."