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Fusione all'indietro
Immagina una giornata invernale con il ghiaccio che copre ogni marciapiede e ramo d'albero in vista. Poi la temperatura scende e il ghiaccio inizia a sciogliersi. Ice, ovviamente, non si comporta mai in questo modo. Ma alcuni materiali passano davvero da solidi a liquidi quando si raffreddano, un fenomeno noto come fusione retrograda. Un team del MIT ha ora osservato questo processo bizzarro e apparentemente arretrato in uno dei materiali più comuni e utili intorno a noi: il silicio, l'elemento utilizzato per realizzare la maggior parte delle celle solari e dei chip per computer.
Un diverso tipo di fusione Un minuscolo chip di silicio (il quadrato arancione luminoso al centro di questo speciale dispositivo di riscaldamento), essendo stato sovrasaturato con contaminanti metallici, subisce un processo di fusione retrograda dopo essere stato riscaldato e quindi raffreddato molto lentamente.
Il silicio fonde normalmente a 1.414 °C. Ma i ricercatori hanno scoperto che un wafer di silicio contaminato da piccole quantità di rame, nichel e ferro formava una miscela fangosa di materiale solido e liquido mentre si raffreddava sotto i 900 °C. A queste temperature è possibile osservare il comportamento del silicio durante la fusione, utilizzando una microsonda a fluorescenza a raggi X specializzata. La scoperta ha alcune implicazioni potenzialmente pratiche e potrebbe portare a nuovi metodi utili per purificare il materiale.
La scoperta è stata descritta in un articolo pubblicato quest'anno in Materiale avanzato di Tonio Buonassisi, un assistente professore di ingegneria meccanica e produzione, insieme a Steve Hudelson, SM '09, e post-dottorato Bonna Newman, PhD '08.
Per prima cosa hanno diffuso rame, nichel e ferro in silicio puro e hanno riscaldato la miscela a 1.140 °C, ben al di sotto del punto di fusione del silicio ma abbastanza calda da produrre una soluzione dei metalli nel silicio. Il raffreddamento rapido della miscela ha lasciato il silicio sovrasaturato, ovvero conteneva più metallo disciolto di quanto sarebbe normalmente possibile, proprio come la soda in una bottiglia contiene più anidride carbonica di quella che il liquido potrebbe trattenere alla normale pressione all'esterno della bottiglia. Ma quando i ricercatori hanno riscaldato il materiale e lo hanno lasciato raffreddare più lentamente, si sono formate goccioline liquide di metallo e silicio tra il materiale solido. Raggiungi un punto in cui induci la precipitazione, e non ha altra scelta che precipitare in una fase liquida, dice Buonassisi.
I ricercatori hanno scoperto che le impurità, in questo caso l'aggiunta di rame, nichel e ferro, che sono le principali impurità normalmente presenti nel silicio, tendevano a migrare nel liquido. Lo sfruttamento di questo fenomeno potrebbe rendere possibile l'utilizzo di qualità di silicio più economiche per dispositivi come le celle solari, poiché il materiale potrebbe essere purificato durante il processo di fabbricazione. Se riesci a creare piccole goccioline di liquido all'interno di un blocco di silicio, dice Buonassisi, servono come piccoli aspirapolvere per aspirare le impurità. Le goccioline poi si solidificano, trattenendo le impurità concentrate e lasciando più puro il resto del materiale.