高度に秩序化された自己組織化材料の熱工学テンプレート

2024 年 2 月 15 日

(Nanowerkニュース) 小型フィーチャを備えたテンプレートによって誘導された自己組織化凝固共晶材料は、テンプレートによって引き起こされる拡散と熱勾配の結果として、独特の微細構造とパターンを示します。テンプレートは材料を強制的に規則的なパターンに凝固させようとしますが、テンプレートが大量の熱を伝えると、凝固プロセスが妨げられ、長距離パターンに乱れが生じる可能性もあります。イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校とミシガン大学アナーバー校の研究者らは、熱をほとんど伝えないテンプレート材料を開発したため、テンプレート材料自体と凝固する共晶材料との間の熱伝達が阻止される。これは、熱伝導率が非常に低い材料からテンプレートを形成することで実現され、最終的には高度に組織化された自己組織化微細構造が得られます。「この研究の重要な新しさは、熱の流れを注意深く制御したことです。熱の流れを制御することで、より多くのパラメーターを制御できるため、パターンは以前よりもはるかに良くなり、より規則的になります。以前は、テンプレートは原子の流れを制御していましたが、熱の流れは制御されていませんでした」と、材料科学および工学の教授で材料研究所所長のポール・ブラウン氏は言います。ポール・ブラウン氏は博士研究員のソン・ボム・カン氏とともにこの研究を主導しました。テンプレートによる共晶凝固プロセスの概略図。液体（金色）AgCl（シアン）-KCl（黒色）共晶系がピラーテンプレートを通って固化します。 (画像: The Grainger College of Engineering) この研究結果は雑誌に掲載されました 先端材料 (「熱工学的に設計されたテンプレート内でのテンプレート指向性凝固による高度に秩序化された共晶メソ構造」）。共晶材料は、いずれかの成分の融点よりも低い融点を持つ均質な混合物です。共晶系の一般的な例には、はんだ (鉛と錫の混合物)、塩 (塩化ナトリウム) と水の混合物などがあります。共晶混合物が液相から冷却されると、それらは凝固フロントでパターンを形成する 100 つの材料に分離します。材料は 99 つの大きな層に分かれているわけではありません。代わりに、層状のケーキ、棒状の構造、またはさらに複雑な構造のような多層構造 (ラメラ) を含む構造を形成します。ただし、結果として得られる材料の微細構造は、短距離にわたってのみよく秩序化されます。自己組織化プロセスで生じる不安定性は、微細構造の欠陥につながり、得られる固体材料の特性に影響を与えます。光学や機械などの多くの用途では、長距離にわたる非常に良好な秩序が必要です。凝固プロセスは、原子や分子の移動に対する障壁として機能する柱で構成されるテンプレートによって制御できます。これにより、構造が固化する際に、より規則的なパターンが形成されるようになります。しかし問題は、柱が多量の熱を運び、前面が平らに固まるのではなく、前面の形状が複雑になることだとブラウン氏は説明する。これにより、不規則なパターンや長距離の障害が発生します。「私たちは柱を本当に優れた断熱材にする方法を考え出しました」とブラウン氏は言います。「つまり、すべての熱は固化している材料のみを通過することになります。テンプレートは原子の流れに対する障壁として機能するだけですが、凝固する材料とテンプレートの間では熱はほとんど移動しません。」研究者らは、共晶系よりも熱伝導率が低いテンプレート材料を調査し、熱伝導率が低いテンプレート材料によって長距離秩序を備えた高度に組織化された微細構造が得られることを発見しました。具体的には、結晶シリコンよりも熱伝導率が少なくとも 50 分の XNUMX 低い多孔質シリコン (本質的にはシリコン発泡体) を使用しました。テンプレート素材の熱伝導率が低いため、「間違った」方向への熱の流れが最小限に抑えられます。「テンプレートの熱伝導率は、凝固プロセス中の熱伝達率を決定する重要な要素です」と Kang 氏は言います。「テンプレートに使用した多孔質シリコンは熱伝導率が低いため、構造の単位セルが約 XNUMX% 均一になりました。」比較すると、より高い熱伝導率の結晶シリコン柱では、期待されたパターンはユニットセルの XNUMX% にしか存在しません。「これは、高度に予測可能で一貫した特性を備えた共晶材料を設計できることを意味します。このレベルの制御は、均一性がパフォーマンスに直接影響を与えるアプリケーションにとって非常に重要です」と Kang 氏は言います。