Un modelo que muestra cómo un simple material en capas, representado en naranja y azul, se transforma en un complejo material compuesto estructurado por Arquímedes cuando se congela alrededor de una plantilla, representado en gris. Crédito:Paul Braun
Los compuestos hechos de materiales inorgánicos autoensamblables se valoran por su resistencia y temperatura únicas, propiedades ópticas y magnéticas. Sin embargo, porque el autoensamblaje puede ser difícil de controlar, las estructuras formadas pueden estar muy desordenadas, conduciendo a defectos durante la producción a gran escala. Investigadores de la Universidad de Illinois y la Universidad de Michigan han desarrollado una técnica de creación de plantillas que infunde un mayor orden y da lugar a nuevas estructuras tridimensionales en una clase especial de materiales. llamados eutécticos, para formar nuevo, Materiales de alto rendimiento.
Los hallazgos del estudio colaborativo se publican en la revista Naturaleza .
Los materiales eutécticos contienen elementos y compuestos que tienen diferentes temperaturas de fusión y solidificación. Cuando se combina, sin embargo, el compuesto formado tiene temperaturas únicas de fusión y congelación, como cuando la sal y el agua se combinan para formar salmuera, que se congela a una temperatura más baja que el agua o la sal sola, dijeron los investigadores. Cuando un líquido eutéctico se solidifica, los componentes individuales se separan, formando una estructura cohesiva, más comúnmente en forma de capas. El hecho de que los materiales eutécticos se autoensamblen en compuestos los hace muy deseables para muchas tecnologías modernas, desde palas de turbina de alto rendimiento hasta aleaciones de soldadura.
"Tener un solo punto de fusión tiene ventajas en el procesamiento de materiales compuestos, "dijo Paul Braun, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y director del Laboratorio de Investigación de Materiales de la U. de I., quien lideró el proyecto. "En lugar de depositar capas de material individualmente, comenzamos con un líquido que se autoensambla a medida que se solidifica. Esto puede acelerar la producción y nos permite producir mayores volúmenes al mismo tiempo ".
El profesor Paul Braun dirigió un equipo que desarrolló un nuevo sistema de plantillas para ayudar a controlar la calidad y las propiedades únicas de una clase especial de materiales compuestos inorgánicos. Crédito:Fred Zwicky
Sin embargo, el autoensamblaje puede provocar problemas, él dijo, ya que su naturaleza incontrolada puede formar defectos.
"La creación de plantillas es una práctica común utilizada en el procesamiento de polímeros orgánicos, "dijo Ashish Kulkarni, estudiante de posgrado de Illinois y primer autor del estudio. "Sin embargo, no es algo que se haya explorado en el procesamiento de materiales inorgánicos porque las microestructuras inorgánicas son más rígidas y más difíciles de controlar ".
Para demostrar este proceso en el laboratorio, el equipo construyó plantillas con pequeños postes dispuestos en formas hexagonales para controlar la resolidificación de una masa fundida que contiene cloruro de plata y cloruro de potasio, un material eutéctico que naturalmente forma capas a medida que se enfría.
"Si no se controla, las únicas microestructuras que formará este sistema son capas, "dijo Katsuyo Thornton, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Michigan, quien realizó simulaciones por computadora con el estudiante de posgrado Erik Hanson, ambos son coautores del estudio. "Podemos variar la velocidad de enfriamiento para hacer que las capas sean más gruesas o más delgadas, pero el patrón sigue siendo el mismo. Al agregar una plantilla alrededor de la cual se solidifica el líquido, esperábamos que surgieran nuevos patrones ".
El profesor de ingenieros de la Universidad de Michigan, Katsuyo Thornton, izquierda, y el estudiante de posgrado Erik Hanson. Crédito:Paul Braun
El equipo descubrió que a medida que la plata y el cloruro de potasio se derriten para solidificarse alrededor de las plantillas de forma hexagonal, los postes se interponen en el camino de la formación de la capa y producen un compuesto con una matriz de diferentes cuadrados, en su lugar, microestructuras triangulares y en forma de panal:las características específicas de la estructura dependen de la distancia entre los postes de la plantilla.
"La naturaleza repetitiva de estas plantillas y estructuras recién formadas reduce las posibilidades de que se formen defectos, "Dijo Braun." Entonces, no solo formamos nuevas y emocionantes microestructuras, pero también redujimos el número de defectos en el material compuesto resultante ".
Los investigadores explorarán cómo las nuevas microestructuras influyen en las propiedades físicas de una amplia gama de materiales eutécticos.
"Los materiales que usamos en nuestros experimentos son transparentes, por lo que la primera dirección a la que dirigirse podría ser explorar materiales ópticos, y hay mucho potencial en el área de los cristales fotónicos, ", Dijo Braun." Todavía estamos muy lejos de la aplicación real, pero las posibilidades son abundantes ".
