Als een ijsblokje op een warme dag, de meeste materialen smelten - dat wil zeggen, veranderen van een vaste naar een vloeibare toestand - naarmate ze warmer worden. Maar een paar excentrieke materialen doen het tegenovergestelde:ze smelten als ze koeler worden. Nu heeft een team van onderzoekers van MIT ontdekt dat silicium, het meest gebruikte materiaal voor computerchips en zonnecellen, kan deze vreemde eigenschap van "retrograde smelten" vertonen wanneer het hoge concentraties van bepaalde metalen erin bevat.

Het materiaal, een verbinding van silicium, koper, nikkel en ijzer, "smelt" (eigenlijk verandert van een vaste stof in een slush-achtige mix van vast en vloeibaar materiaal) als het afkoelt tot onder 900 graden Celsius, terwijl silicium gewoonlijk smelt bij 1414 ° C. De veel lagere temperaturen maken het mogelijk om het gedrag van het materiaal tijdens het smelten waar te nemen, gebaseerd op gespecialiseerde röntgenfluorescentie-microsondetechnologie met een synchrotron - een soort deeltjesversneller - als bron.

Het materiaal en de eigenschappen ervan worden beschreven in een artikel dat zojuist online in het tijdschrift is gepubliceerd Geavanceerde materialen. Ploegleider Tonio Buonassisi, de SMA Universitair Docent Werktuigbouwkunde en Productie, is de senior auteur, en de hoofdauteurs zijn Steve Hudelson MS '09, en postdoctoraal onderzoeker Bonna Newman PhD ’08.

De bevindingen kunnen nuttig zijn bij het verlagen van de productiekosten van sommige op silicium gebaseerde apparaten, vooral die waarin kleine hoeveelheden onzuiverheden de prestaties aanzienlijk kunnen verminderen. In het materiaal dat Buonassisi en zijn onderzoekers bestudeerden, onzuiverheden hebben de neiging om naar het vloeibare deel te migreren, gebieden met zuiverder silicium achterlatend. Dit zou het mogelijk kunnen maken om op silicium gebaseerde apparaten te produceren, zoals zonnecellen, met behulp van een minder zuivere, en dus goedkoper, siliciumkwaliteit die tijdens het fabricageproces zou worden gezuiverd.

“Als je kleine vloeistofdruppeltjes kunt maken in een blok silicium, ze dienen als kleine stofzuigers om onzuiverheden op te zuigen, ', zegt Buonassisi. Dit onderzoek zou ook kunnen leiden tot nieuwe methoden voor het maken van arrays van silicium nanodraden - kleine buisjes die zeer goed geleidend zijn voor warmte en elektriciteit.

Buonassisi voorspelde in een paper uit 2007 dat het mogelijk zou moeten zijn om retrograde smelten in silicium te induceren, maar de voorwaarden die nodig zijn om zo'n staat te produceren, en om het op microscopisch niveau te bestuderen, zijn zeer gespecialiseerd en zijn pas sinds kort beschikbaar. Om de juiste voorwaarden te scheppen, Buonassisi en zijn team moesten een microscoop "hot-stage" -apparaat aanpassen waarmee de onderzoekers de snelheid van verwarming en afkoeling nauwkeurig konden regelen. En om daadwerkelijk te observeren wat er gebeurde terwijl het materiaal werd verwarmd en afgekoeld, ze maakten gebruik van krachtige op synchrotron gebaseerde röntgenbronnen in het Lawrence Berkeley National Laboratory in Californië en in het Argonne National Laboratory in Illinois (onderzoekers van beide nationale laboratoria zijn co-auteurs van het artikel).

Het onderzoek werd ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, de Nationale Wetenschapsstichting, de Clare Booth Luce Foundation, Doug Spreng en de Chesonis Family Foundation, en sommige apparatuur werd geleverd door McCrone Scientific.

Het materiaal voor de tests bestond uit een soort sandwich gemaakt van twee dunne lagen silicium, met een vulling van koper, nikkel en ijzer ertussen. Dit werd eerst voldoende verhit om de metalen op te lossen in het silicium, maar onder het smeltpunt van silicium. De hoeveelheid metaal was zodanig dat het silicium oververzadigd raakte - dat wil zeggen, meer van het metaal werd opgelost in het silicium dan normaal mogelijk zou zijn onder stabiele omstandigheden. Bijvoorbeeld, wanneer een vloeistof wordt verwarmd, het kan meer van een ander materiaal oplossen, maar als het afgekoeld is, kan het oververzadigd raken, totdat het overtollige materiaal neerslaat.

In dit geval, waar de metalen werden opgelost in het vaste silicium, “Als je het begint af te koelen, je raakt een punt waar je neerslag induceert, en het heeft geen andere keuze dan neer te slaan in een vloeibare fase, ', zegt Buonassisi. Op dat moment smelt het materiaal.

Matthias Heuer, een senior onderzoeker bij Calisolar, een startend bedrijf op het gebied van zonne-energie, zegt dat dit werk “uniek en nieuw is in ons vakgebied, ” en het “geeft een zeer goed inzicht in hoe overgangsmetalen en structurele defecten op elkaar inwerken.” Maar hij voegt eraan toe dat er nog een aantal vragen moeten worden beantwoord in vervolgonderzoek:“Nu we weten dat er zich vloeibare insluitsels kunnen vormen, de vraag is, hoe efficiënt zijn ze als putten voor onzuiverheden? Hoe stabiel zijn ze? Kunnen ze de onzuiverheden gelokaliseerd houden tijdens andere processtappen - bijvoorbeeld, tijdens het laatste bakproces van een zonnecel?”