Kompositer gjorda av självmonterande oorganiska material värderas för sin unika styrka och värme, optiska och magnetiska egenskaper. Dock, eftersom självmontering kan vara svår att kontrollera, de bildade strukturerna kan vara mycket störda, leder till defekter vid storskalig produktion. Forskare vid University of Illinois och University of Michigan har utvecklat en mallteknik som väcker större ordning och ger upphov till nya 3D-strukturer i en speciell klass av material, kallas eutektik, att bilda nytt, högpresterande material.

Resultaten av samarbetsstudien publiceras i tidskriften Natur .

Eutektiska material innehåller element och föreningar som har olika smält- och stelningstemperaturer. I kombination, dock, den bildade kompositen har enstaka smält- och frysningstemperaturer - som när salt och vatten kombineras till saltlösning, som fryser vid en lägre temperatur än vatten eller salt ensam, sa forskarna. När en eutektisk vätska stelnar, de enskilda komponenterna separeras, bildar en sammanhängande struktur - oftast i skiktform. Det faktum att eutektiska material självmonteras till kompositer gör dem mycket önskvärda för många moderna tekniker, allt från högpresterande turbinblad till lödlegeringar.

"Att ha en enda smältpunkt har fördelar vid bearbetning av kompositmaterial, "sa Paul Braun, professor i materialvetenskap och teknik och chef för Material Research Lab vid U. of I., som ledde projektet. "I stället för att avsätta lager av material individuellt, vi börjar med en vätska som självmonteras när den stelnar. Detta kan påskynda produktionen och gör att vi kan göra större volymer samtidigt. "

Dock, självmontering kan leda till problem, han sa, eftersom dess okontrollerade natur kan bilda defekter.

"Templering är en vanlig metod som används vid bearbetning av organiska polymerer, "sa Ashish Kulkarni, en doktorand i Illinois och den första författaren till studien. "Dock, det är inte något som har undersökts vid bearbetning av oorganiska material eftersom oorganiska mikrostrukturer är styvare och svårare att kontrollera. "

För att demonstrera denna process i labbet, laget byggde mallar med små stolpar arrangerade i sexkantiga former för att styra resolideringen av en smälta som innehåller silverklorid och kaliumklorid - ett eutektiskt material som naturligt bildar lager när det svalnar.

"Om den inte kontrolleras, de enda mikrostrukturer som detta system kommer att bilda är lager, "sa Katsuyo Thornton, professor i materialvetenskap och teknik vid Michigan, som genomförde datorsimuleringar med doktoranden Erik Hanson, båda är medförfattare till studien. "Vi kan variera kylhastigheten för att göra skikten tjockare eller tunnare, men mönstret förblir detsamma. Genom att lägga till en mall som vätskan stelnar runt, vi hoppades att nya mönster skulle dyka upp. "

Teamet fann att när silver och kaliumklorid smälter för att stelna runt de sexkantiga formarna, stolparna hindrar lagbildningen och producerar en komposit med en rad olika kvadrater, triangulära och bikakeformade mikrostrukturer istället-detaljerna i strukturen beroende på avståndet mellan stolparna på mallen.

"Den upprepade karaktären hos dessa mallar och nybildade strukturer minskar risken för defekter att bildas, "Sa Braun." Så, inte bara bildade vi spännande nya mikrostrukturer, men vi minskade också antalet defekter i det resulterande kompositmaterialet. "

Forskarna kommer att utforska hur de nya mikrostrukturerna påverkar de fysiska egenskaperna hos ett brett spektrum av eutektiska material.

"Materialet vi använde i våra experiment är transparenta, så den första riktningen att gå in kan vara att utforska optiska material, och det finns mycket potential inom området fotoniska kristaller, "Sa Braun." Vi är fortfarande långt från verklig tillämpning, men möjligheterna är stora. "