Nuovo metodo di orientamento della crescita dei cristalli

Nuovo meccanismo di riorientamento del cristallo che si traduce in cambiamenti di orientamento improvvisi e massicci in leghe monocristalline e oligocristalline sfuse tramite elaborazione termica allo stato solido

I materiali monocristallini hanno il potenziale per esibire prestazioni superiori perché escludono i bordi dei grani (In cristallografia, indica l'interfaccia tra due grani di un materiale policristallino. I bordi di grano sono difetti cristallini principalmente di metalli), che aumentano la suscettibilità allo scorrimento, all'ossidazione e alla corrosione e rendono inefficiente il trasporto termico ed elettronico. Tuttavia, le proprietà del singolo cristallo variano in modo significativo con l'orientamento cristallografico, rendendo la capacità di controllare l'orientamento fondamentale per il loro utilizzo nelle applicazioni. La complessa natura dei processi di nucleazione e crescita dei cristalli rende difficile tale controllo.

Un nuovo metodo per coltivare cristalli singoli e contemporaneamente controllare il loro orientamento di crescita senza l'elaborazione della fusione è stato scoperto dalla dottoressa Hande Ozcan (1), laureata in scienze dei materiali e ingegneria della Texas A&M University e dal dottor Ibrahim Karaman (2), capo dipartimento e professore Chevron.

La scoperta di questo nuovo metodo di controllo della crescita e dell'orientamento dei cristalli allo stato solido è stata recentemente pubblicata sulla rivista Acta Materialia (3). Il documento di ricerca si concentra sulla crescita di grandi cristalli singoli e sulla loro capacità di cambiare il loro orientamento cristallografico. L'orientamento cristallografico descrive l'allineamento dei cristalli all'interno di un campione sfuso.

«Abbiamo lavorato su cristalli singoli negli ultimi tre decenni, ma la crescita dei cristalli con l'elaborazione della fusione e il controllo dei loro orientamenti è stata piuttosto impegnativa», ha affermato il dottor Karaman. «Il metodo che la dottoressa Hande ha scoperto ora ci fa risparmiare molto tempo e offre maggiore flessibilità. C'è altro da esplorare; questo è ciò che ci rende entusiasti di questo nuovo metodo».

Secondo il documento di ricerca, il controllo delle dimensioni, della forma e dell'orientamento cristallografico dei singoli cristalli è fondamentale per sfruttare le proprietà desiderate. Ozcan ha affermato che questo metodo è importante per le applicazioni che richiedono materiali con proprietà anisotrope.

«Questo meccanismo consente a questi materiali di cambiare il loro orientamento allo stato solido senza ingombranti e costose tecniche di lavorazione della fusione. Questo è importante perché questi materiali mostrano proprietà diverse quando hanno direzioni cristallografiche diverse», ha affermato la dottoressa Hande Ozcan.

Per la prima volta, Ozcan ha visto che gli orientamenti cristallografici possono essere modificati su larga scala. Ella dice: «Questo potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui guardiamo i singoli cristalli e manipoliamo le proprietà dei materiali, perché con i metodi a stato solido, non solo possiamo far crescere molto facilmente grandi cristalli singoli, ma allo stesso tempo, ora possiamo giocare con il loro orientamento cristallografico».

I cristalli singoli sono essenziali per la microelettronica, i cristalli ottici, i dispositivi magnetici, le celle solari, i componenti piezoelettrici e le leghe multifunzionali. Un esempio di caso d'uso specifico per questi materiali sono le leghe multifunzionali a memoria di forma. Questi materiali possono cambiare forma e riprendersi applicando calore o stress.

«Ad esempio, puoi deformare il materiale quando applichi un carico, ma quando lo rilasci, ritorna alla sua forma originale», ha detto Ozcan.

Queste proprietà dipendono fortemente dall'orientamento del singolo cristallo; alcuni orientamenti mostrano questa ripresa in modo perfetto, altri no. Pertanto, il controllo dell'orientamento è fondamentale per ottenere proprietà funzionali superiori.

Un altro vantaggio di questa tecnica, secondo il documento di ricerca, è che non richiede attrezzature complesse e costose.

Tradizionalmente, le tecniche di crescita allo stato fuso, chiamate processi Bridgman e Czochralski, vengono utilizzate per ottenere cristalli di grandi dimensioni con un orientamento preferito. Tuttavia, il controllo dell'orientamento del cristallo è ancora impegnativo.

Questi metodi si basano sulla disponibilità di cristalli seme adeguati, nucleazione precisa e controllo del profilo termico durante la lavorazione.

A causa di questa complessità, questi metodi sono molto costosi. La nuova metodica è chiamata tecnica di crescita dei cristalli allo stato solido (solid-state crystal growth - SSCG), un procedimento in cui è possibile realizzare grandi cristalli sfusi con diversi orientamenti cristallografici con semplici trattamenti termici.

In questo processo, i cristalli prodotti sono più versatili e possono raggiungere una migliore omogeneità chimica rispetto alle tecniche di crescita allo stato fuso tradizionalmente utilizzate.

Il team di ricerca della Texas A&M ha dimostrato il metodo SSCG in due sistemi di leghe, FeMnAlNi e CuMnAl, e ha ottenuto ripetuti e massicci cambiamenti di orientamento nello stato solido.

Questi risultati offrono una nuova strategia per manipolare l'orientamento di grandi cristalli singoli su richiesta per sfruttare le loro proprietà superiori e altamente anisotropiche, secondo il documento di ricerca.

La dottoressa Hande Ozcan spiega: «Questo processo funziona con materiali che hanno precipitati semicoerenti e che hanno regioni a due fasi nel loro diagramma di fase. Quando si fa scorrere più volte il materiale dalle alte alle basse temperature in una regione a due fasi, i precipitati si nucleano e si dissolvono e si lasciano dietro i confini del sottograno. Quindi i grani iniziano a crescere, diminuendo l'energia del bordo del sottograno in eccesso. Questi grani continuano a crescere e unisci e, infine, puoi ottenere un singolo cristallo. Quando continui a ciclare il materiale dopo che è diventato un singolo cristallo, non ci sono altri modi per ridurre l'energia in eccesso nel sistema e si attiva un meccanismo che cambia il suo orientamento cristallografico. In realtà abbiamo scoperto questa tecnica mentre stavamo lavorando a qualcos'altro. Non miravamo specificamente a cambiare l'orientamento cristallografico. Stavamo solo lavorando alla crescita di grandi cristalli singoli».

Durante quel processo, Ozcan e il team hanno scoperto che in pochi cicli le leghe si sarebbero trasformate in cristalli singoli e, con ulteriori cicli, la ricercatrice si è resa conto che l'orientamento dei singoli cristalli iniziava a cambiare completamente.

«Ho mostrato i risultati al dottor Karaman, ed ero così eccitata», ha detto. «Successivamente, abbiamo iniziato a capire cosa stava succedendo e perché l'orientamento del cristallo stava cambiando; abbiamo provato diversi metodi e programmi di elaborazione per manipolare questo cambiamento. Questa scoperta aprirà vaste aree di ricerca. Questo è solo l'inizio di questo nuovo entusiasmante percorso di ricerca di nuovi materiali».

Riferimenti:

(1) Hande Ozcan

(2) Ibrahim Karaman

(3) Massive reorientations of bulk single and oligocrystals via solid state processing

Descrizione foto: La dottoressa Hande Ozcan lavora con una macchina a raggi X. - Credit: Texas A&M Engineering.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New crystal growth orientation method manipulated materials properties