Materiais eutéticos solidificantes automontados direcionados por um modelo com características em miniatura demonstram microestruturas e padrões únicos como resultado da difusão e gradientes térmicos causados ​​pelo modelo. Apesar do modelo tentar forçar o material a solidificar em um padrão regular, quando o modelo carrega muito calor ele também pode interferir no processo de solidificação e causar desordem no padrão de longo alcance.



Pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign e da Universidade de Michigan Ann Arbor desenvolveram um material modelo que quase não transporta calor e, portanto, interrompe a transferência de calor entre o próprio material modelo e o material eutético em solidificação. Eles conseguiram isso formando o modelo a partir de um material com condutividade térmica muito baixa, resultando em microestruturas automontadas altamente organizadas.

Os resultados desta pesquisa foram publicados recentemente na revista Advanced Materials.

"A principal novidade desta pesquisa é que controlamos cuidadosamente o fluxo de calor. Ao controlar o fluxo de calor, o padrão se torna muito melhor e mais regular do que antes porque controlamos mais parâmetros. Anteriormente, o modelo controlava o fluxo de átomos, mas os fluxos de calor eram descontrolados", diz Paul Braun, professor de ciência e engenharia de materiais e diretor do Laboratório de Pesquisa de Materiais, que liderou esta pesquisa junto com o pesquisador de pós-doutorado Sung Bum Kang.

Os materiais eutéticos são uma mistura homogênea que possui um ponto de fusão inferior ao ponto de fusão de qualquer um dos constituintes. Exemplos comuns de sistemas eutéticos incluem solda (uma mistura de chumbo e estanho) e misturas de sal (cloreto de sódio) e água. Quando as misturas eutéticas são resfriadas da fase líquida, elas se separam em dois materiais que formam um padrão na frente de solidificação.

O material não se separa em apenas duas grandes camadas. Em vez disso, forma estruturas que incluem uma estrutura multicamadas (lamelar), como um bolo em camadas, uma estrutura em forma de bastão ou estruturas ainda mais complexas. A microestrutura resultante do material, entretanto, só é bem ordenada em distâncias curtas. As instabilidades que surgem no processo de automontagem levam a defeitos na microestrutura e afetam as propriedades do material sólido resultante. Para muitas aplicações, como óptica ou mecânica, é necessária uma ordem muito boa em longas distâncias.

O processo de solidificação pode ser controlado por um gabarito composto por pilares que atuam como barreiras ao movimento de átomos e moléculas. Isso força a estrutura a formar um padrão mais regular quando se solidifica. Mas o problema, explica Braun, é que os pilares suportam muito calor e, em vez de terem uma frente plana e solidificada, o formato da frente torna-se complexo. Isso leva a padrões irregulares e distúrbios de longo alcance.

“Descobrimos como fazer os pilares para que fossem realmente bons isolantes”, diz Braun. "Portanto, todo o calor flui apenas através do material que está se solidificando. O modelo agora atua apenas como uma barreira ao fluxo de átomos, mas quase nenhum calor se move entre o material em solidificação e o modelo."

Os pesquisadores exploraram materiais modelo com condutividades térmicas mais baixas do que o sistema eutético e descobriram que o material modelo de baixa condutividade térmica resultou em microestruturas altamente organizadas com ordem de longo alcance. Especificamente, eles usaram silício poroso (essencialmente uma espuma de silício) que é pelo menos 100 vezes menos condutor térmico do que o silício cristalino. A baixa condutividade térmica do material do modelo minimiza o fluxo de calor na direção “errada”.

“A condutividade térmica do modelo é um fator crítico na determinação da taxa de transferência de calor durante o processo de solidificação”, diz Kang. “O silício poroso que usamos para os modelos tem baixa condutividade térmica e levou a cerca de 99% de uniformidade das células unitárias da estrutura.”

Em comparação, com pilares de silício cristalino de maior condutividade térmica, o padrão esperado está presente apenas em 50% das células unitárias.

“Isso significa que podemos projetar materiais eutéticos com propriedades altamente previsíveis e consistentes. Esse nível de controle é crucial para aplicações onde a uniformidade impacta diretamente o desempenho”, diz Kang.

Mais informações: Sung Bum Kang et al, Mesoestruturas eutéticas altamente ordenadas via solidificação dirigida por modelo em modelos de engenharia térmica, Materiais avançados (2024). DOI:10.1002/adma.202308720
Fornecido pela Faculdade de Engenharia Grainger da Universidade de Illinois