Un modello che mostra come un semplice materiale stratificato, raffigurato in arancione e blu, si trasforma in un complesso materiale composito strutturato Archimede quando si congela attorno a un modello, raffigurato in grigio. Credito:Paul Braun
I compositi realizzati con materiali inorganici autoassemblanti sono apprezzati per la loro forza unica e termica, proprietà ottiche e magnetiche. Però, perché l'autoassemblaggio può essere difficile da controllare, le strutture formate possono essere molto disordinate, portare a difetti durante la produzione su larga scala. I ricercatori dell'Università dell'Illinois e dell'Università del Michigan hanno sviluppato una tecnica di modellazione che infonde maggiore ordine e dà origine a nuove strutture 3D in una classe speciale di materiali, chiamato eutettico, per formare nuovi, materiali ad alte prestazioni.
I risultati dello studio collaborativo sono pubblicati sulla rivista Natura .
I materiali eutettici contengono elementi e composti che hanno diverse temperature di fusione e solidificazione. Quando combinato, però, il composto formato ha singole temperature di fusione e congelamento, come quando il sale e l'acqua si combinano per formare la salamoia, che gela a una temperatura inferiore a quella dell'acqua o del solo sale, hanno detto i ricercatori. Quando un liquido eutettico si solidifica, i singoli componenti si separano, formando una struttura coesiva, più comunemente in una forma a strati. Il fatto che i materiali eutettici si autoassemblano in compositi li rende altamente desiderabili per molte tecnologie moderne, che vanno dalle pale delle turbine ad alte prestazioni alle leghe saldanti.
"Avere un unico punto di fusione presenta vantaggi nella lavorazione dei materiali compositi, " ha detto Paul Braun, un professore di scienza e ingegneria dei materiali e direttore del Materials Research Lab presso l'U. of I., che ha guidato il progetto. "Invece di depositare strati di materiale singolarmente, si parte da un liquido che si autoassembla man mano che si solidifica. Questo può accelerare la produzione e ci consente di realizzare volumi più grandi contemporaneamente".
Il professor Paul Braun ha guidato un team che ha sviluppato un nuovo sistema di modelli per aiutare a controllare la qualità e le proprietà uniche di una classe speciale di materiali compositi inorganici. Credito:Fred Zwicky
Però, l'autoassemblaggio può portare a problemi, Egli ha detto, poiché la sua natura incontrollata può formare difetti.
"La modellazione è una pratica comune utilizzata nella lavorazione dei polimeri organici, " disse Ashish Kulkarni, uno studente laureato dell'Illinois e il primo autore dello studio. "Però, non è qualcosa che è stato esplorato nella lavorazione dei materiali inorganici perché le microstrutture inorganiche sono più rigide e più difficili da controllare".
Per dimostrare questo processo in laboratorio, il team ha costruito modelli con minuscoli perni disposti in forme esagonali per controllare la risolidificazione di una fusione contenente cloruro d'argento e cloruro di potassio, un materiale eutettico che forma naturalmente strati mentre si raffredda.
"Se non controllato, le uniche microstrutture che questo sistema formerà sono gli strati, " disse Katsuyo Thornton, un professore di scienza e ingegneria dei materiali al Michigan, che ha condotto simulazioni al computer con lo studente laureato Erik Hanson, entrambi sono coautori dello studio. "Possiamo variare la velocità di raffreddamento per rendere gli strati più spessi o più sottili, ma lo schema rimane lo stesso. Aggiungendo un modello attorno al quale il liquido si solidifica, speravamo che emergessero nuovi modelli".
Katsuyo Thornton, professore di ingegneria dell'Università del Michigan, sinistra, e lo studente laureato Erik Hanson. Credito:Paul Braun
Il team ha scoperto che quando l'argento e il cloruro di potassio si fondono per solidificarsi attorno ai modelli di forma esagonale, i perni interferiscono con la formazione dello strato e producono un composito con una serie di quadrati diversi, microstrutture triangolari e a forma di nido d'ape invece, le specifiche della struttura a seconda della distanza tra i montanti sulla dima.
"La natura ripetitiva di questi modelli e delle strutture appena formate riduce le possibilità di formazione di difetti, " disse Braun. "Allora, non solo abbiamo formato nuove entusiasmanti microstrutture, ma abbiamo anche ridotto il numero di difetti nel materiale composito risultante."
I ricercatori esploreranno come le nuove microstrutture influenzano le proprietà fisiche di un'ampia gamma di materiali eutettici.
"I materiali che abbiamo usato nei nostri esperimenti sono trasparenti, quindi la prima direzione da intraprendere potrebbe essere quella di esplorare i materiali ottici, e c'è molto potenziale nell'area dei cristalli fotonici, " ha detto Braun. "Siamo ancora molto lontani dall'applicazione reale, ma le possibilità sono abbondanti".
