Topienie wsteczne

Wyobraź sobie zimowy dzień z lodem oszklonym na każdym chodniku i gałęzi drzewa w zasięgu wzroku. Potem temperatura spada i lód zaczyna się topić. Oczywiście lód nigdy nie zachowuje się w ten sposób. Ale niektóre materiały naprawdę zmieniają się ze stałych w płynne, gdy stają się zimniejsze, zjawisko znane jako topienie wsteczne. Zespół z MIT zaobserwował teraz ten dziwaczny, wyglądający wstecz proces w jednym z najczęstszych i najbardziej użytecznych materiałów wokół nas: krzemie, pierwiastku używanym do produkcji większości ogniw słonecznych i chipów komputerowych.

Inny rodzaj topnienia Maleńki krzemowy chip (świecący pomarańczowy kwadrat w środku tego specjalnego urządzenia grzewczego), który został przesycony zanieczyszczeniami metalowymi, po podgrzaniu, a następnie bardzo powolnym schłodzeniu, przechodzi wsteczny proces topienia.

Krzem topi się zwykle w temperaturze 1414 °C. Jednak naukowcy odkryli, że wafel krzemowy zanieczyszczony niewielką ilością miedzi, niklu i żelaza tworzył grząską mieszankę materiału stałego i ciekłego, gdy schładzał się poniżej 900°C. W tych temperaturach można obserwować zachowanie krzemu podczas topienia za pomocą specjalistycznej mikrosondy fluorescencyjnej rentgenowskiej. Odkrycie ma pewne potencjalnie praktyczne implikacje i może prowadzić do nowych, użytecznych metod oczyszczania materiału.

Odkrycie zostało opisane w artykule opublikowanym w tym roku w: Zaawansowane materiały autorstwa Tonio Buonassisiego, adiunkta inżynierii mechanicznej i produkcji, wraz ze Stevem Hudelsonem, SM ‘09, i doktorem Bonną Newman ‘08.

Najpierw dyfundowali miedź, nikiel i żelazo do czystego krzemu i podgrzali mieszaninę do 1140 °C, znacznie poniżej temperatury topnienia krzemu, ale wystarczająco gorącej, aby wytworzyć roztwór metali w krzemie. Gwałtowne schłodzenie mieszaniny pozostawiło krzem w stanie przesyconym – to znaczy, że zawierał więcej rozpuszczonego metalu, niż normalnie byłoby to możliwe, podobnie jak soda w butelce zawiera więcej dwutlenku węgla niż ciecz mogłaby utrzymać przy zwykłym ciśnieniu poza butelką. Ale kiedy naukowcy ponownie podgrzali materiał i pozwolili mu ostygnąć wolniej, pośród stałego materiału utworzyły się ciekłe kropelki metalu i krzemu. Uderzasz w punkt, w którym wywołujesz opady i nie ma innego wyjścia, jak wytrącać się w fazie ciekłej, mówi Buonassisi.

Naukowcy odkryli, że zanieczyszczenia – w tym przypadku dodana miedź, nikiel i żelazo, które są głównymi zanieczyszczeniami normalnie występującymi w krzemie – mają tendencję do migracji do cieczy. Wykorzystanie tego zjawiska mogłoby umożliwić zastosowanie tańszych gatunków krzemu do urządzeń takich jak ogniwa słoneczne, ponieważ materiał mógłby być oczyszczany w procesie produkcyjnym. Buonassisi mówi, że jeśli możesz stworzyć małe kropelki cieczy wewnątrz bloku krzemu, służą one jak małe odkurzacze do zasysania zanieczyszczeń. Kropelki następnie zestalają się, zatrzymując stężone zanieczyszczenia i pozostawiając resztę materiału czystszą.

ukryć