Los materiales eutécticos solidificantes autoensamblados dirigidos por una plantilla con características en miniatura demuestran microestructuras y patrones únicos como resultado de la difusión y los gradientes térmicos causados ​​por la plantilla. A pesar de que la plantilla intenta forzar al material a solidificarse en un patrón regular, cuando la plantilla transporta mucho calor también puede interferir con el proceso de solidificación y causar desorden en el patrón de largo alcance.

Investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y la Universidad de Michigan Ann Arbor han desarrollado un material de plantilla que casi no transporta calor y, por lo tanto, detiene la transferencia de calor entre el material de plantilla y el material eutéctico solidificado. Lo lograron formando la plantilla a partir de un material con muy baja conductividad térmica, lo que finalmente dio como resultado microestructuras autoensambladas altamente organizadas.

Los resultados de esta investigación se publicaron recientemente en la revista Advanced Materials.

"La novedad clave de esta investigación es que controlamos cuidadosamente el flujo de calor. Al controlar el flujo de calor, el patrón se vuelve mucho mejor y más regular que antes porque estamos controlando más parámetros. Anteriormente, la plantilla controlaba el flujo de átomos, pero los flujos de calor no estaban controlados", dice Paul Braun, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y director del Laboratorio de Investigación de Materiales, quien dirigió esta investigación junto con el investigador postdoctoral Sung Bum Kang.

Los materiales eutécticos son una mezcla homogénea que tiene un punto de fusión inferior al punto de fusión de cualquiera de los constituyentes. Ejemplos comunes de sistemas eutécticos incluyen soldadura (una mezcla de plomo y estaño) y mezclas de sal (cloruro de sodio) y agua. Cuando las mezclas eutécticas se enfrían desde la fase líquida, se separan en dos materiales que forman un patrón en el frente de solidificación.

El material no se separa en sólo dos grandes capas. En cambio, forma estructuras que incluyen una estructura de múltiples capas (laminar), como una torta escalonada, una estructura en forma de varilla o incluso estructuras más complejas. Sin embargo, la microestructura resultante del material sólo está bien ordenada en distancias cortas. Las inestabilidades que surgen en el proceso de autoensamblaje provocan defectos en la microestructura y afectan las propiedades del material sólido resultante. Para muchas aplicaciones, como la óptica o la mecánica, se requiere un muy buen orden en largas distancias.

El proceso de solidificación puede controlarse mediante una plantilla formada por pilares que actúan como barreras al movimiento de átomos y moléculas. Esto obliga a la estructura a formar un patrón más regular cuando se solidifica. Pero el problema, explica Braun, es que los pilares transportan mucho calor y, en lugar de tener un frente plano y solidificado, la forma del frente se vuelve compleja. Esto conduce a patrones irregulares y desorden a largo plazo.

"Descubrimos cómo hacer los pilares para que fueran realmente buenos aislantes", dice Braun. "Así que todo el calor sólo fluye a través del material que se está solidificando. La plantilla ahora sólo actúa como una barrera para el flujo de átomos, pero casi no se mueve calor entre el material que se solidifica y la plantilla".

Los investigadores exploraron materiales de plantilla con conductividades térmicas más bajas que el sistema eutéctico y descubrieron que el material de plantilla de baja conductividad térmica daba como resultado microestructuras altamente organizadas con orden de largo alcance. Específicamente, utilizaron silicio poroso (esencialmente una espuma de silicio) que es al menos 100 veces menos conductor térmico que el silicio cristalino. La baja conductividad térmica del material de la plantilla minimiza el flujo de calor en la dirección "incorrecta".

"La conductividad térmica de la plantilla es un factor crítico para determinar la tasa de transferencia de calor durante el proceso de solidificación", dice Kang. "El silicio poroso que utilizamos para las plantillas tiene una baja conductividad térmica y dio como resultado aproximadamente un 99% de uniformidad en las celdas unitarias de la estructura".

En comparación, con pilares de silicio cristalino de mayor conductividad térmica, el patrón esperado solo está presente en el 50% de las celdas unitarias.

"Esto significa que podemos diseñar materiales eutécticos con propiedades altamente predecibles y consistentes. Este nivel de control es crucial para aplicaciones donde la uniformidad impacta directamente en el rendimiento", afirma Kang.

Más información: Sung Bum Kang et al, Mesoestructuras eutécticas altamente ordenadas mediante solidificación dirigida por plantilla dentro de plantillas de ingeniería térmica, Materiales avanzados (2024). DOI:10.1002/adma.202308720

Proporcionado por la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois