Bakåtsmältning

Föreställ dig en vinterdag med isglas på varje trottoar och trädgren i sikte. Då sjunker temperaturen och isen börjar smälta. Ice beter sig förstås aldrig på det här sättet. Men vissa material förvandlas verkligen från fast till flytande när de blir kallare, ett fenomen som kallas retrograd smältning. Ett MIT-team har nu observerat denna bisarra, bakåtsynta process i ett av de vanligaste och mest användbara materialen runt omkring oss: kisel, det element som används för att tillverka de flesta solceller och datorchips.

En annan sorts smältning Ett litet kiselchip (den glödande orange fyrkanten i mitten av denna speciella värmeanordning), som har övermättats med metallföroreningar, genomgår en retrograd smältprocess efter att ha värmts upp och sedan mycket långsamt kylts ned.

Kisel smälter vanligtvis vid 1 414 °C. Men forskare fann att en kiselskiva förorenad med små mängder koppar, nickel och järn bildade en slaskig blandning av fast och flytande material när den svalnade under 900 °C. Vid dessa temperaturer är det möjligt att observera beteendet hos kisel under smältning med hjälp av en specialiserad röntgenfluorescensmikrosond. Upptäckten har några potentiellt praktiska implikationer, och det kan leda till användbara nya metoder för att rena materialet.

Fyndet beskrevs i en tidning som publicerades i år i Avancerade material av Tonio Buonassisi, biträdande professor i maskinteknik och tillverkning, tillsammans med Steve Hudelson, SM '09, och postdoktor Bonna Newman, PhD '08.

De diffunderade först koppar, nickel och järn till rent kisel och värmde blandningen till 1 140 °C, långt under kislets smältpunkt men tillräckligt varmt för att producera en lösning av metallerna i kislet. Den snabba kylningen av blandningen lämnade kislet övermättat – det vill säga det höll mer löst metall än vad som normalt skulle vara möjligt, precis som läsk i en flaska innehåller mer koldioxid än vad vätskan skulle hålla vid vanligt tryck utanför flaskan. Men när forskarna värmde upp materialet och lät det svalna långsammare bildades vätskedroppar av metall och kisel bland det fasta materialet. Du träffar en punkt där du framkallar nederbörd, och det har inget annat val än att fällas ut i en flytande fas, säger Buonassisi.

Forskarna fann att föroreningar - i det här fallet tillsatt koppar, nickel och järn, som är de viktigaste föroreningarna som normalt finns i kisel - tenderade att migrera till vätskan. Att utnyttja detta fenomen skulle kunna göra det möjligt att använda billigare kvaliteter av kisel för enheter som solceller, eftersom materialet kan renas under tillverkningsprocessen. Om du kan skapa små vätskedroppar inuti ett kiselblock, säger Buonassisi, fungerar de som små dammsugare för att suga upp föroreningar. Dropparna stelnar sedan och behåller de koncentrerade föroreningarna och lämnar resten av materialet renare.

Dölj