I materiali eutettici solidificanti autoassemblati diretti da un modello con caratteristiche in miniatura dimostrano microstrutture e modelli unici come risultato della diffusione e dei gradienti termici causati dal modello. Nonostante il modello cerchi di forzare il materiale a solidificarsi secondo uno schema regolare, quando il modello trasporta molto calore può anche interferire con il processo di solidificazione e causare disordini nel modello a lungo raggio.

I ricercatori dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign e dell'Università del Michigan Ann Arbor hanno sviluppato un materiale modello che non trasporta quasi calore e quindi impedisce il trasferimento di calore tra il materiale modello stesso e il materiale eutettico in fase di solidificazione. Hanno ottenuto questo risultato formando il modello da un materiale con conduttività termica molto bassa, ottenendo infine microstrutture autoassemblate altamente organizzate.

I risultati di questa ricerca sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Advanced Materials.

"La novità principale di questa ricerca è che abbiamo controllato attentamente il flusso di calore. Controllando il flusso di calore, il modello diventa molto migliore e più regolare di prima perché stiamo controllando più parametri. In precedenza, il modello controllava il flusso di atomi, ma i flussi di calore erano incontrollati", afferma Paul Braun, professore di scienza e ingegneria dei materiali e direttore del Laboratorio di ricerca sui materiali, che ha condotto questa ricerca insieme al ricercatore post-dottorato Sung Bum Kang.

I materiali eutettici sono una miscela omogenea che ha un punto di fusione inferiore al punto di fusione di entrambi i costituenti. Esempi comuni di sistemi eutettici includono la saldatura (una miscela di piombo e stagno) e miscele di sale (cloruro di sodio) e acqua. Quando le miscele eutettiche vengono raffreddate dalla fase liquida, si separano in due materiali che formano un disegno sul fronte di solidificazione.

Il materiale non si separa solo in due grandi strati. Invece, forma strutture che includono una struttura multistrato (lamellare), come una torta a più livelli, una struttura a bastoncino o anche strutture più complesse. La microstruttura risultante del materiale, tuttavia, è ben ordinata solo su brevi distanze. Le instabilità che si verificano nel processo di autoassemblaggio portano a difetti nella microstruttura e influenzano le proprietà del materiale solido risultante. Per molte applicazioni, ad esempio nell'ottica o nella meccanica, è necessario un ottimo ordine su lunghe distanze.

Il processo di solidificazione può essere controllato da uno stampo costituito da pilastri che fungono da barriere al movimento di atomi e molecole. Ciò costringe la struttura a formare uno schema più regolare quando si solidifica. Ma il problema, spiega Braun, è che i pilastri trasportano molto calore e, invece di avere una parte anteriore piatta e solidale, la forma della parte anteriore diventa complessa. Ciò porta a modelli irregolari e disordini a lungo termine.

"Abbiamo capito come realizzare i pilastri in modo che fossero davvero buoni isolanti", afferma Braun. "Quindi tutto il calore scorre solo attraverso il materiale che si sta solidificando. Il modello ora agisce solo come una barriera al flusso di atomi, ma quasi nessun calore si muove tra il materiale in solidificazione e il modello."

I ricercatori hanno esplorato materiali modello con conduttività termica inferiore rispetto al sistema eutettico e hanno scoperto che il materiale modello a bassa conduttività termica dava luogo a microstrutture altamente organizzate con ordine a lungo raggio. Nello specifico, hanno utilizzato silicio poroso (essenzialmente una schiuma di silicio) che è almeno 100 volte meno conduttivo termicamente del silicio cristallino. La bassa conduttività termica del materiale del modello riduce al minimo il flusso di calore nella direzione "sbagliata".

"La conduttività termica del modello è un fattore critico nel determinare la velocità di trasferimento del calore durante il processo di solidificazione", afferma Kang. "Il silicio poroso che abbiamo utilizzato per i modelli ha una bassa conduttività termica e ha portato a un'uniformità di circa il 99% delle celle unitarie della struttura."

In confronto, con pilastri in silicio cristallino a conduttività termica più elevata, il modello previsto è presente solo nel 50% delle celle unitarie.

"Ciò significa che possiamo progettare materiali eutettici con proprietà altamente prevedibili e coerenti. Questo livello di controllo è fondamentale per le applicazioni in cui l'uniformità incide direttamente sulle prestazioni", afferma Kang.

Ulteriori informazioni: Sung Bum Kang et al, Mesostrutture eutettiche altamente ordinate tramite solidificazione diretta da modelli all'interno di modelli ingegnerizzati termicamente, Materiali avanzati (2024). DOI:10.1002/adma.202308720

Fornito dall'Università dell'Illinois Grainger College of Engineering