Cuando se trata de crear nuevos materiales, los cristales individuales juegan un papel importante en la presentación de una imagen más clara de las propiedades intrínsecas de un material. Un material típico estará compuesto por muchos cristales más pequeños y los límites de grano entre estos cristales pueden actuar como impedimentos,que afectan propiedades como la resistencia eléctrica o térmica.
"Esos límites pueden tener efectos profundos, buenos y malos", dijo el científico y subdirector de materiales del Laboratorio Ames Tom Lograsso. "En general, un material que tiene cristales cada vez más pequeños en realidad tiene propiedades mecánicas mejoradas".
Una excepción a esta regla es que a alta temperatura, en relación con el punto de fusión, los cristales pequeños pueden tener tendencia a deslizarse uno al otro, una propiedad llamada fluencia. Es por esta razón que las palas de la turbina en algunos motores a reacción o generadores sonen realidad formado a partir de cristales individuales de aleación a base de níquel. Algunas otras aplicaciones cotidianas que utilizan cristales individuales son semiconductores, detectores, como sensores infrarrojos o de radiación, y láseres.
"El componente activo en un láser es un solo cristal", dijo Lograsso, quien también es profesor adjunto de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad Estatal de Iowa, "porque los límites del grano de cristal dispersarían la luz".
Desde el punto de vista de la investigación, especialmente al crear un nuevo material, los científicos desean eliminar tantas variables como sea posible para comprender mejor las propiedades de un material. Una forma primaria de hacerlo es comenzar con materias primas que sean lo más puras posible yproduce el material como un solo cristal. "No quieres defectos en la estructura cristalina y no quieres impurezas, que pueden ser una fuente de nucleación adicional", dijo Lograsso. "Los nuevos materiales pueden tener una nueva física, y nosotrospuede determinar cuáles son si hacemos mediciones en una muestra limpia y prístina es decir, un solo cristal. Y si lo hacemos de manera consistente, podemos hacer comparaciones con otros materiales y ver cómo encaja en nuestra comprensión de comportamientos particulares ".
Los científicos del Laboratorio de Ames emplean una serie de técnicas para cultivar cristales individuales, cada una adecuada para producir cristales a partir de diferentes tipos de materiales. Sin embargo, la premisa básica es la misma: sobresaturar una solución y luego precipitar el cristal.
"Como niños, estamos familiarizados con la adición de sal de roca o azúcar al agua caliente hasta que sobresaturamos el líquido", dijo Lograsso. "Luego, a medida que el agua se enfría y eventualmente comienza a evaporarse, comienzan a formarse cristales de sal o azúcary luego crecer
"Puedes hacer lo mismo con aproximadamente dos materiales, usando uno como solvente y luego usando calor o altas temperaturas para sobresaturar el solvente", continuó. "La parte difícil es hacer que un solo cristal se forme primero y luegocrecer."
Este "arte del profesional" requiere paciencia y habilidad, aunque las diversas técnicas descritas aquí también brindan algo de ayuda. En general, un gradiente de alta temperatura también ayuda a promover una transición de crecimiento estable de líquido a sólido.
técnica de Bridgman
Uno de los métodos más conocidos, la técnica Bridgman, llamada así por el físico de Harvard Percy Williams Bridgman, utiliza un crisol con un extremo cónico puntiagudo. Este punto fino promueve el crecimiento de un solo cristal cuando el crisol sale de la porción calentadadel horno El calor se proporciona a través de un elemento de calentamiento similar al del horno doméstico resistencia o mediante un campo magnético inducción.
"Los crisoles envejecen con el tiempo y mejoran en la producción de cristales individuales", dijo Lograsso. "Desafortunadamente, a veces se rompe el crisol eliminando el cristal. Debido a que crecen dentro de un crisol, los cristales formados de esta manera también pueden desarrollar tensiones como grietas".o vacíos "
El Laboratorio Ames también tiene un horno Bridgman especial que permite el crecimiento de cristales a presiones más altas, hasta 15 Bar. Esto permite el crecimiento de cristales a partir de aleaciones que contienen componentes volátiles. La alta presión evita que estos componentes tengan un punto de ebullición más bajo queotros componentes de la aleación, que se desprenden como vapor antes de que se pueda formar el cristal.
Este horno utiliza calentamiento por inducción, que proporciona un gradiente de temperatura más pronunciado, lo que permite tasas de crecimiento de cristales más rápidas para minimizar aún más la evaporación y la reacción con el crisol.
técnica de Czochralski
Este método también calienta el material en un crisol, pero aquí, el cristal en realidad se extrae de la solución fundida. Lograsso lo compara con sumergir una vela "excepto que solo se sumerge una vez".
Un cristal semilla del material está unido al extremo de una barra. La barra se baja hasta que el cristal semilla toca la superficie del material fundido en el crisol. La barra se gira y se retira muy lentamente, tirando del nuevocristal formado del líquido.
"Debido a que el cristal es independiente, no tiene el estrés que a veces se obtiene con el método Bridgman", dijo Lograsso. "Dependiendo del material, los cristales también pueden tener 60 cm de diámetro o más, y varios piesde longitud. Este es un método muy común para producir grandes cristales de silicio que se cortan en obleas para su uso en semiconductores ".
técnica de zona flotante
La técnica de zona de flotación óptica utiliza luz enfocada de alta intensidad para crear cristales individuales, particularmente aquellos que contienen óxidos metálicos. Según el científico asociado Yong Liu, la técnica ofrece un par de ventajas para cultivar muchos tipos de cristales.
"No contiene recipientes: no necesita ni utiliza un crisol para hacer crecer el cristal, por lo que elimina cualquier reacción potencial entre la muestra y el recipiente", dijo Liu. "Debido a que la zona de fusión es muy concentrada y estrecha,somos capaces de lograr un gradiente de temperatura muy grande entre las fases sólida y líquida, lo que resulta en un crecimiento de cristales de alta calidad ".
Un horno típico de zona de flotación óptica consta de cuatro bombillas halógenas de alta potencia dispuestas en un anillo alrededor de la muestra. Los reflectores semiesféricos alrededor de cada bombilla enfocan la intensa energía de la luz en una banda estrecha alrededor de la muestra a temperaturas de hasta 2,100 grados Celsius.
El lingote de muestra comienza en dos piezas. El lado más corto de "semilla" está en la parte inferior y se mantiene en una base. El lado más largo de "alimentación" se suspende muy por encima del lado de la semilla. A medida que los dos lados comienzan a derretirse, unse acumula una pequeña cantidad de líquido en cada superficie y, a medida que se acercan, la tensión superficial de las piscinas se conecta para formar una banda de material fundido con forma de reloj de arena entre la semilla y los lados de alimentación.
Al girar los dos lados en direcciones opuestas, la muestra líquida se "agita" efectivamente para garantizar una distribución uniforme del material en la zona de fusión. La muestra se baja lentamente a través del círculo de luz enfocado, permitiendo que la zona de fusión estrechaderretir, mezclar y solidificar progresivamente hasta el lado de alimentación de la muestra.
"Para materiales con baja presión de vapor, podemos cultivar cristales a una velocidad de un milímetro por hora", dijo Liu. "Podemos usar la técnica en una variedad de materiales, pero siempre comenzamos con el diagrama de fases tipo deun mapa de crecimiento para determinar si es posible. No podemos cultivar cristales con alta presión de vapor o que pueden ser tóxicos con este método ".
Solución / crecimiento de flujo
Si bien los otros tres métodos funcionan bien para materiales donde se conoce el resultado cristalino, los investigadores también buscan descubrir y cultivar cristales individuales de nuevos compuestos binarios, ternarios, cuaternarios o superiores. En muchos casos, los materiales en estos compuestos noderretirse congruentemente, lo que significa que no se derriten a una sola temperatura.
"El crecimiento de la solución es extremadamente versátil, y a menudo puedes optimizarlo y recorrerlo rápidamente", dijo el físico del Laboratorio de Ames y profesor distinguido de la Universidad Estatal de Iowa, Paul Canfield. "En general, no te da un cristal tan grande, sino pormedidas físicas básicas, algo entre un milímetro y un centímetro es más que adecuado "
En la práctica, los compuestos para el cristal objetivo se combinan con un material que servirá como la solución en la que se disolverá el compuesto cristalino. Por ejemplo, para hacer crecer un cristal de cerio-antimonio a partir de una solución de estaño, o fundente, puedecomience con cuatro por ciento de Ce y Sb con el otro 92 por ciento Sn.
Los materiales entran en un crisol de "crecimiento" que se combina con un crisol de "captura". Luego se sellan en un tubo de sílice. El conjunto del tubo se coloca en un horno y se calienta para que todos los elementos se derritan. Luego se baja la temperaturamás cerca del punto de fusión del elemento de solución, lo que permite que se forme el cristal objetivo. En el ejemplo de flujo Ce-Sb en Sn, la temperatura inicial es de aproximadamente 1,000 grados Celsius, y luego bajó a 600 grados.
Para luego separar el estaño líquido del cristal Ce-Sb, el conjunto del tubo se retira del horno y se coloca inmediatamente en una centrífuga, que hace girar el estaño líquido restante en el crisol de captura, dejando atrás el cristal.hasta 100 veces la fuerza de decantación gravitacional simple, lo que resulta en cristales "más limpios".
"Cuando desarrollas nuevos materiales, debes tener cierta familiaridad con los ingredientes y las técnicas disponibles", dijo Canfield. "Con el crecimiento de la solución, podemos pasar de mirar superconductores y ferromagnetos, a cristales rotativos, a cuasicristales -- ir de un material a otro a otro, simplemente cambiando elementos o condiciones de crecimiento. En el transcurso de 20 años aquí, nos estamos acercando a 10 mil crecimientos diferentes ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Ames . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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