211service.com
Achterwaarts smelten
Stel je een winterse dag voor met ijsbeglazing op elk trottoir en boomtak in zicht. Dan daalt de temperatuur en begint het ijs te smelten. Ice gedraagt zich natuurlijk nooit op deze manier. Maar sommige materialen veranderen echt van vast in vloeibaar naarmate ze kouder worden, een fenomeen dat bekend staat als retrograde smelten. Een MIT-team heeft dit bizarre, achterhaalde proces nu waargenomen in een van de meest voorkomende en bruikbare materialen om ons heen: silicium, het element dat wordt gebruikt om de meeste zonnecellen en computerchips te maken.
Een ander soort smelten Een kleine siliciumchip (het gloeiende oranje vierkant in het midden van dit speciale verwarmingsapparaat), dat oververzadigd is met metaalverontreinigingen, ondergaat een retrograde smeltproces na te zijn verwarmd en vervolgens zeer langzaam afgekoeld.
Silicium smelt gewoonlijk bij 1414 ° C. Maar onderzoekers ontdekten dat een siliciumwafel die verontreinigd was met kleine hoeveelheden koper, nikkel en ijzer een modderige mix van vast en vloeibaar materiaal vormde toen het afkoelde tot onder 900 °C. Bij deze temperaturen is het mogelijk om het gedrag van silicium tijdens het smelten te observeren, met behulp van een gespecialiseerde röntgenfluorescentiemicrosonde. De ontdekking heeft mogelijk enkele praktische implicaties en kan leiden tot nuttige nieuwe methoden om het materiaal te zuiveren.
De bevinding werd beschreven in een paper dat dit jaar werd gepubliceerd in Geavanceerde materialen door Tonio Buonassisi, een assistent-professor werktuigbouwkunde en productie, samen met Steve Hudelson, SM '09, en postdoctoraal onderzoeker Bonna Newman, PhD '08.
Ze diffundeerden eerst koper, nikkel en ijzer in puur silicium en verwarmden het mengsel tot 1140 °C, ruim onder het smeltpunt van silicium, maar heet genoeg om een oplossing van de metalen in het silicium te produceren. Door het mengsel snel af te koelen, bleef het silicium oververzadigd - dat wil zeggen, het bevatte meer opgelost metaal dan normaal mogelijk zou zijn, net zoals frisdrank in een fles meer koolstofdioxide bevat dan de vloeistof zou bevatten bij normale druk buiten de fles. Maar toen de onderzoekers het materiaal weer opwarmden en het langzamer lieten afkoelen, vormden zich tussen het vaste materiaal vloeibare druppeltjes van metaal en silicium. Je bereikt een punt waarop je neerslag induceert, en het heeft geen andere keuze dan neer te slaan in een vloeibare fase, zegt Buonassisi.
De onderzoekers ontdekten dat onzuiverheden - in dit geval het toegevoegde koper, nikkel en ijzer, de belangrijkste onzuiverheden die normaal in silicium worden aangetroffen - de neiging hadden om naar de vloeistof te migreren. Door gebruik te maken van dit fenomeen zou het mogelijk kunnen worden om goedkopere soorten silicium te gebruiken voor apparaten zoals zonnecellen, omdat het materiaal tijdens het fabricageproces zou kunnen worden gezuiverd. Als je kleine vloeistofdruppels in een blok silicium kunt maken, zegt Buonassisi, dienen ze als kleine stofzuigers om onzuiverheden op te zuigen. De druppeltjes stollen dan, waardoor de geconcentreerde onzuiverheden behouden blijven en de rest van het materiaal zuiverder wordt.