Результаты совместного исследования опубликованы в журнале Nature.
Эвтектические материалы содержат элементы и соединения, которые имеют разные температуры плавления и затвердевания.
Однако при объединении образовавшийся композит имеет одну температуру плавления и замерзания – например, когда соль и вода объединяются с образованием рассола, который замерзает при более низкой температуре, чем вода или соль отдельно, говорят исследователи. Когда эвтектическая жидкость затвердевает, отдельные компоненты разделяются, образуя связную структуру – чаще всего в слоистой форме. Тот факт, что эвтектические материалы самоорганизуются в композиты, делает их очень востребованными для многих современных технологий, от высокопроизводительных турбинных лопаток до припоев.
«Наличие единой точки плавления дает преимущества при обработке композитных материалов», – сказал Пол Браун, профессор материаловедения и инженерии и директор Лаборатории исследования материалов в Университете США. я., кто руководил проектом. "Вместо того, чтобы наносить слои материала по отдельности, мы начинаем с жидкости, которая самоорганизуется по мере затвердевания.
Это может ускорить производство и позволяет нам изготавливать большие объемы за один раз."
Однако самосборка может привести к проблемам, сказал он, поскольку ее неконтролируемый характер может привести к дефектам.
«Шаблонирование – обычная практика, используемая при переработке органических полимеров», – сказал Ашиш Кулкарни, аспирант из Иллинойса и первый автор исследования. «Однако это не то, что исследовалось при обработке неорганических материалов, потому что неорганические микроструктуры более жесткие и их труднее контролировать."
Чтобы продемонстрировать этот процесс в лаборатории, команда создала шаблоны с крошечными столбиками, расположенными в шестиугольной форме, чтобы контролировать повторное затвердевание расплава, содержащего хлорид серебра и хлорид калия – эвтектического материала, который естественным образом образует слои при охлаждении.
«Если не контролировать, единственными микроструктурами, которые будет формировать эта система, будут слои», – сказал Кацуйо Торнтон, профессор материаловедения и инженерии из Мичигана, который провел компьютерное моделирование с аспирантом Эриком Хэнсоном, оба из которых являются соавторами исследования. "Мы можем изменять скорость охлаждения, чтобы слои стали толще или тоньше, но рисунок останется прежним.
Добавляя шаблон, вокруг которого затвердевает жидкость, мы надеялись, что появятся новые шаблоны."
Команда обнаружила, что по мере того, как серебро и хлорид калия тают и затвердевают вокруг шаблонов гексагональной формы, столбики мешают формированию слоя и вместо этого создают композит с множеством различных микроструктур квадратной, треугольной и сотовой формы – специфика конструкции в зависимости от расстояния между стойками по шаблону.
«Повторяющийся характер этих шаблонов и вновь образованных структур снижает вероятность образования дефектов», – сказал Браун. «Таким образом, мы не только сформировали новые захватывающие микроструктуры, но и уменьшили количество дефектов в полученном композитном материале."
Исследователи изучат, как новые микроструктуры влияют на физические свойства широкого спектра эвтектических материалов.
«Материалы, которые мы использовали в наших экспериментах, прозрачны, поэтому первым делом можно начать изучение оптических материалов, а в области фотонных кристаллов есть большой потенциал», – сказал Браун. "Мы все еще далеки от реального применения, но возможностей много."