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(noticias nanowerk) Los materiales eutécticos solidificantes y autoensamblables controlados por una plantilla con características en miniatura exhiben microestructuras y patrones únicos como resultado de la difusión y los gradientes térmicos causados por la plantilla. Aunque la plantilla intenta forzar que el material se solidifique siguiendo un patrón regular, la alta transferencia de calor de la plantilla también puede interrumpir el proceso de solidificación y provocar alteraciones en el patrón a larga distancia.
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. Esto se logró fabricando la plantilla a partir de un material con muy baja conductividad térmica, lo que finalmente dio como resultado microestructuras autoensambladas altamente organizadas.
“La innovación más importante 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 a medida que controlamos más parámetros. Anteriormente, la plantilla controlaba el flujo de átomos, pero el flujo de calor no estaba controlado”, 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 resultados de esta investigación fueron publicados en la revista Materiales avanzados (“Mesoestructuras eutécticas altamente ordenadas mediante solidificación controlada por plantilla en plantillas producidas térmicamente”).
Los materiales eutécticos son una mezcla homogénea cuyo punto de fusión es menor que el punto de fusión de cualquiera de los componentes. 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 descompone simplemente en dos grandes capas. En cambio, forma estructuras que incluyen una estructura de múltiples capas (estructura laminar), como una torta en capas, 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 durante el proceso de autoensamblaje provocan defectos en la microestructura y afectan las propiedades del material sólido resultante. Para muchas aplicaciones, como por ejemplo en óptica o mecánica, se requiere un muy buen orden en largas distancias.
El proceso de solidificación puede controlarse mediante una plantilla formada por columnas que sirven como barreras al movimiento de átomos y moléculas. Esto obliga a la estructura a formar un patrón más regular a medida que se solidifica. Sin embargo, el problema, explica Braun, es que las columnas transportan mucho calor y la forma del frente se vuelve compleja en lugar de un frente plano y solidificado. Esto conduce a patrones irregulares y perturbaciones generalizadas.
«Descubrimos cómo diseñar las columnas para que fueran realmente buenos aislantes», dice Braun. “Así que todo el calor simplemente fluye a través del material que se solidifica. La plantilla ahora sólo actúa como una barrera para el flujo de átomos, pero casi no se mueve calor entre el material solidificado y la plantilla”.
Los investigadores examinaron materiales de plantilla con menor conductividad térmica que el sistema eutéctico y descubrieron que el material de plantilla con 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 crucial 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, para los pilares de silicio cristalino con mayor conductividad térmica, el patrón esperado sólo está presente en el 50% de las celdas unitarias.
“Esto significa que podemos diseñar materiales eutécticos con propiedades muy predecibles y consistentes. Este nivel de control es fundamental para aplicaciones en las que la uniformidad afecta directamente al rendimiento”, afirma Kang.
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