Zelf-geassembleerde stollende eutectische materialen, aangestuurd door een sjabloon met miniatuurkenmerken, demonstreren unieke microstructuren en patronen als gevolg van diffusie en thermische gradiënten veroorzaakt door de sjabloon. Ondanks dat de sjabloon probeert het materiaal te dwingen in een regelmatig patroon te stollen, kan de sjabloon, wanneer deze veel warmte draagt, ook het stollingsproces verstoren en wanorde in het langeafstandspatroon veroorzaken.

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign en de Universiteit van Michigan Ann Arbor hebben een sjabloonmateriaal ontwikkeld dat vrijwel geen warmte transporteert en daardoor de warmteoverdracht tussen het sjabloonmateriaal zelf en het stollende eutectische materiaal stopt. Ze bereikten dit door de sjabloon te vormen uit een materiaal met een zeer lage thermische geleidbaarheid, wat uiteindelijk resulteerde in zeer georganiseerde, zelf-assemblerende microstructuren.

De resultaten van dit onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials.

"De belangrijkste nieuwigheid van dit onderzoek is dat we de warmtestroom zorgvuldig hebben gecontroleerd. Door de warmtestroom te beheersen, wordt het patroon veel beter en regelmatiger dan voorheen, omdat we meer parameters beheersen. Voorheen controleerde de sjabloon de Er was sprake van een stroom van atomen, maar de warmtestromen waren ongecontroleerd", zegt Paul Braun, hoogleraar materiaalkunde en -techniek en directeur van het Materials Research Laboratory, die dit onderzoek samen met postdoctoraal onderzoeker Sung Bum Kang leidde.

Eutectische materialen zijn een homogeen mengsel met een smeltpunt dat lager is dan het smeltpunt van beide bestanddelen. Veel voorkomende voorbeelden van eutectische systemen zijn soldeer (een mengsel van lood en tin) en mengsels van zout (natriumchloride) en water. Wanneer eutectische mengsels worden afgekoeld uit de vloeibare fase, scheiden ze zich in twee materialen die een patroon vormen aan het stolfront.

Het materiaal valt niet in slechts twee grote lagen uiteen. In plaats daarvan vormt het structuren waaronder een meerlaagse structuur (lamellair), zoals een gelaagde cake, een staafachtige structuur of zelfs complexere structuren. De resulterende microstructuur van het materiaal is echter alleen over korte afstanden goed geordend. Instabiliteiten die optreden tijdens het zelfassemblageproces leiden tot defecten in de microstructuur en beïnvloeden de eigenschappen van het resulterende vaste materiaal. Voor veel toepassingen, zoals optica of mechanica, is een zeer goede orde over lange afstanden vereist.

Het stollingsproces kan worden gecontroleerd door een sjabloon bestaande uit pijlers die fungeren als barrières voor de beweging van atomen en moleculen. Dit dwingt de structuur om een ​​regelmatiger patroon te vormen wanneer deze stolt. Maar het probleem, legt Braun uit, is dat de pilaren veel warmte transporteren, en in plaats van een vlakke, verstevigende voorkant te hebben, wordt de vorm van de voorkant complex. Dit leidt tot onregelmatige patronen en langdurige wanorde.

"We hebben ontdekt hoe we de pilaren zo kunnen maken dat ze echt goede isolatoren zijn", zegt Braun. "Dus alle warmte stroomt alleen door het materiaal dat aan het stollen is. De sjabloon fungeert nu alleen nog als een barrière voor de stroom van atomen, maar er beweegt bijna geen warmte tussen het stollende materiaal en de sjabloon."

De onderzoekers onderzochten sjabloonmaterialen met een lagere thermische geleidbaarheid dan het eutectische systeem en ontdekten dat sjabloonmateriaal met een lage thermische geleidbaarheid resulteerde in sterk georganiseerde microstructuren met een langeafstandsorde. Concreet gebruikten ze poreus silicium (in wezen een siliciumschuim) dat minstens 100 keer minder thermisch geleidend is dan kristallijn silicium. De lage thermische geleidbaarheid van het sjabloonmateriaal minimaliseert de warmtestroom in de "verkeerde" richting.

"De thermische geleidbaarheid van de sjabloon is een kritische factor bij het bepalen van de snelheid van warmteoverdracht tijdens het stollingsproces", zegt Kang. "Het poreuze silicium dat we voor de sjablonen hebben gebruikt, heeft een lage thermische geleidbaarheid en leidde tot ongeveer 99% uniformiteit van de eenheidscellen van de structuur."

Ter vergelijking:bij kristallijne siliciumpilaren met hogere thermische geleidbaarheid is het verwachte patroon slechts aanwezig in 50% van de eenheidscellen.

"Dit betekent dat we eutectische materialen kunnen ontwerpen met zeer voorspelbare en consistente eigenschappen. Dit niveau van controle is cruciaal voor toepassingen waarbij uniformiteit rechtstreeks van invloed is op de prestaties", zegt Kang.

Meer informatie: Sung Bum Kang et al., Hooggeordende eutectische mesostructuren via sjabloongestuurde stolling binnen thermisch ontworpen sjablonen, Geavanceerde materialen (2024). DOI:10.1002/adma.202308720

Aangeboden door Grainger College of Engineering van de Universiteit van Illinois