고도로 정렬된 자체 조립 재료를 위한 열 공학 템플릿

15년 2024월 XNUMX일

(나노 워크 뉴스) 미니어처 기능을 갖춘 템플릿을 통해 자체 조립된 응고 공융 재료는 템플릿으로 인한 확산 및 열 구배의 결과로 독특한 미세 구조와 패턴을 보여줍니다. 주형이 재료를 규칙적인 패턴으로 응고시키려고 노력함에도 불구하고 주형이 많은 열을 전달하면 응고 과정을 방해하고 장거리 패턴에 장애를 일으킬 수도 있습니다. 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스와 미시간 대학교 앤아버 연구진은 열을 거의 전달하지 않아 템플릿 재료 자체와 응고되는 공융 재료 사이의 열 전달을 차단하는 템플릿 재료를 개발했습니다. 이는 열전도율이 매우 낮은 재료로 템플릿을 형성하여 궁극적으로 고도로 조직화된 자체 조립 미세 구조를 생성함으로써 달성되었습니다. “이 연구의 핵심적인 참신함은 열의 흐름을 주의 깊게 제어했다는 것입니다. 열의 흐름을 제어하면 더 많은 매개변수를 제어할 수 있기 때문에 패턴이 이전보다 훨씬 더 좋고 규칙적이 됩니다. 이전에는 템플릿이 원자의 흐름을 제어했지만 열 흐름은 제어되지 않았습니다.” 강성범 박사후 연구원과 함께 이번 연구를 주도한 재료공학과 교수이자 재료연구소 소장인 폴 브라운(Paul Braun)의 말입니다. 템플릿 기반 공융 응고 과정의 개략도. 액체(금) AgCl(청록색)-KCl(검은색) 공융 시스템이 기둥 주형을 통해 응고됩니다. (이미지 : The Grainger College of Engineering) 이번 연구 결과는 저널에 게재되었습니다. 고급 재료 ("열 엔지니어링 템플릿 내에서 템플릿 지향 응고를 통한 고도로 정렬된 공융 메조구조"). 공융 재료는 두 구성 요소의 녹는점보다 낮은 녹는점을 갖는 균질한 혼합물입니다. 공융 시스템의 일반적인 예로는 땜납(납과 주석의 혼합물)과 소금(염화나트륨)과 물의 혼합물이 있습니다. 공융 혼합물이 액상에서 냉각되면 응고 전면에 패턴을 형성하는 두 가지 재료로 분리됩니다. 재료는 단지 두 개의 큰 층으로 분리되지 않습니다. 대신, 층상 케이크, 막대형 구조 또는 훨씬 더 복잡한 구조와 같은 다층 구조(라멜라)를 포함한 구조를 형성합니다. 그러나 재료의 결과적인 미세 구조는 짧은 거리에서만 잘 정렬되어 있습니다. 자기 조립 과정에서 발생하는 불안정성은 미세 구조에 결함을 일으키고 결과로 생성되는 고체 재료의 특성에 영향을 미칩니다. 광학이나 기계와 같은 많은 응용 분야의 경우 장거리에 걸쳐 매우 양호한 질서가 필요합니다. 응고 과정은 원자와 분자의 움직임에 대한 장벽 역할을 하는 기둥으로 구성된 템플릿에 의해 제어될 수 있습니다. 이는 구조가 응고될 때 보다 규칙적인 패턴을 형성하도록 합니다. 그러나 문제는 기둥이 많은 열을 전달하고 평평하고 단단해진 전면을 갖는 대신 전면의 모양이 복잡해진다는 점이라고 브라운은 설명합니다. 이로 인해 불규칙한 패턴과 장거리 장애가 발생합니다. “우리는 기둥이 정말 좋은 절연체가 되도록 만드는 방법을 알아냈습니다.”라고 Braun은 말합니다. “그러므로 모든 열은 응고되는 물질을 통해서만 흐릅니다. 주형은 이제 원자 흐름에 대한 장벽 역할만 할 뿐이고, 응고되는 물질과 주형 사이에는 열이 거의 이동하지 않습니다.” 연구진은 공융 시스템보다 열전도도가 낮은 템플릿 재료를 조사한 결과 낮은 열전도도 템플릿 재료가 장거리 질서를 갖는 고도로 조직화된 미세 구조를 생성한다는 사실을 발견했습니다. 구체적으로 그들은 결정질 실리콘보다 열 전도성이 100배 이상 낮은 다공성 실리콘(본질적으로 실리콘 폼)을 사용했습니다. 템플릿 재료의 낮은 열 전도성은 "잘못된" 방향으로의 열 흐름을 최소화합니다. Kang은 “템플릿의 열전도율은 응고 과정 중 열 전달 속도를 결정하는 중요한 요소입니다. “템플릿에 사용한 다공성 실리콘은 열전도율이 낮아 구조 단위 셀의 균일성이 약 99%에 달했습니다.” 이에 비해 열 전도성이 더 높은 결정질 실리콘 기둥의 경우 예상 패턴은 단위 셀의 50%에만 존재합니다. “이는 예측 가능성이 높고 일관된 특성을 지닌 공융 재료를 설계할 수 있다는 것을 의미합니다. 이러한 수준의 제어는 균일성이 성능에 직접적인 영향을 미치는 애플리케이션에 매우 중요합니다.”라고 Kang은 말합니다.