Les matériaux eutectiques solidifiants auto-assemblés dirigés par un modèle avec des caractéristiques miniatures démontrent des microstructures et des motifs uniques résultant de la diffusion et des gradients thermiques provoqués par le modèle. Bien que le gabarit essaie de forcer le matériau à se solidifier selon un motif régulier, lorsque le gabarit transporte beaucoup de chaleur, il peut également interférer avec le processus de solidification et provoquer un désordre dans le motif à longue portée.

Des chercheurs de l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign et de l'Université du Michigan Ann Arbor ont développé un matériau de modèle qui ne transporte presque pas de chaleur et arrête donc le transfert de chaleur entre le matériau de modèle lui-même et le matériau eutectique solidifiant. Ils y sont parvenus en formant le modèle à partir d'un matériau à très faible conductivité thermique, ce qui a finalement abouti à des microstructures auto-assemblées hautement organisées.

Les résultats de cette recherche ont été récemment publiés dans la revue Advanced Materials.

"La principale nouveauté de cette recherche est que nous contrôlons soigneusement le flux de chaleur. En contrôlant le flux de chaleur, le modèle devient bien meilleur et plus régulier qu'auparavant car nous contrôlons davantage de paramètres. Auparavant, le modèle contrôlait le flux de chaleur. flux d'atomes, mais les flux de chaleur étaient incontrôlés", explique Paul Braun, professeur de science et d'ingénierie des matériaux et directeur du Laboratoire de recherche sur les matériaux, qui a dirigé cette recherche avec le chercheur postdoctoral Sung Bum Kang.

Les matériaux eutectiques sont un mélange homogène dont le point de fusion est inférieur au point de fusion de l’un ou l’autre constituant. Des exemples courants de systèmes eutectiques comprennent la soudure (un mélange de plomb et d'étain) et les mélanges de sel (chlorure de sodium) et d'eau. Lorsque les mélanges eutectiques sont refroidis à partir de la phase liquide, ils se séparent en deux matériaux qui forment un motif au niveau du front de solidification.

Le matériau ne se sépare pas en seulement deux grandes couches. Au lieu de cela, il forme des structures comprenant une structure multicouche (lamellaire), comme un gâteau étagé, une structure en forme de tige ou des structures encore plus complexes. La microstructure du matériau qui en résulte n’est cependant bien ordonnée que sur de courtes distances. Les instabilités qui surviennent lors du processus d'auto-assemblage entraînent des défauts dans la microstructure et affectent les propriétés du matériau solide obtenu. Pour de nombreuses applications, comme l'optique ou la mécanique, un très bon ordre sur de longues distances est requis.

Le processus de solidification peut être contrôlé par un gabarit constitué de piliers qui agissent comme des barrières au mouvement des atomes et des molécules. Cela oblige la structure à former un motif plus régulier lorsqu’elle se solidifie. Mais le problème, explique Braun, est que les piliers transportent beaucoup de chaleur et qu'au lieu d'avoir une façade plate et solidifiante, la forme de la façade devient complexe. Cela conduit à des schémas irréguliers et à des désordres à longue portée.

"Nous avons trouvé comment fabriquer les piliers pour qu'ils soient de très bons isolants", explique Braun. "Ainsi, toute la chaleur ne circule qu'à travers le matériau qui se solidifie. Le modèle n'agit désormais que comme une barrière au flux d'atomes, mais presque aucune chaleur ne circule entre le matériau en train de se solidifier et le modèle."

Les chercheurs ont exploré des matériaux modèles présentant des conductivités thermiques inférieures à celles du système eutectique et ont découvert que les matériaux modèles à faible conductivité thermique aboutissaient à des microstructures hautement organisées avec un ordre à longue portée. Plus précisément, ils ont utilisé du silicium poreux (essentiellement une mousse de silicium) qui est au moins 100 fois moins conducteur thermiquement que le silicium cristallin. La faible conductivité thermique du matériau du modèle minimise le flux de chaleur dans la « mauvaise » direction.

"La conductivité thermique du gabarit est un facteur essentiel pour déterminer le taux de transfert de chaleur pendant le processus de solidification", explique Kang. "Le silicium poreux que nous avons utilisé pour les modèles a une faible conductivité thermique et conduit à une uniformité d'environ 99 % des cellules unitaires de la structure."

En comparaison, avec des piliers de silicium cristallin à conductivité thermique plus élevée, le motif attendu n'est présent que dans 50 % des cellules unitaires.

"Cela signifie que nous pouvons concevoir des matériaux eutectiques avec des propriétés hautement prévisibles et cohérentes. Ce niveau de contrôle est crucial pour les applications où l'uniformité a un impact direct sur les performances", explique Kang.

Plus d'informations : Sung Bum Kang et al, Mésostructures eutectiques hautement ordonnées via une solidification dirigée par modèle dans des modèles d'ingénierie thermique, Matériaux avancés (2024). DOI : 10.1002/adma.202308720

Fourni par le Grainger College of Engineering de l'Université de l'Illinois