El silicio puede fundirse al revés

Los materiales que se funden al enfriarse pueden contribuir al desarrollo de células solares y otros dispositivos.

Al igual que un cubito de hielo en un día de calor, la mayoría de los materiales se funden -es decir, pasan del estado sólido al líquido- al calentarse. Pero hay unos pocos materiales extraños que lo hacen al revés: se funden al enfriarse. Ahora un equipo de investigadores del MIT ha descubierto que el silicio, el material más comunmente utilizado para chips de ordenadores y células solares, puede tener esta extraña propiedad cuando se disuelven en él grandes concentraciones de ciertos metales.

El material, una unión de silicio, cobre, niquel y hierro, se “funde” (en realidad pasa de sólido a un punto intermedio entre sólido y líquido) al enfriarse por debajo de 900 ºC, mientras que el silicio “normal” se funde a 1.414 ºC. Al fundirse a una temperatura mucho más baja, se puede observar el comportamiento del material al fundirse, basándose en tecnología de microsondas de fluorescencia de rayos X y  utilizando un sincrotrón -un tipo de acelerador de partículas- como fuente.

Silicio

Silicio. Wikipedia.

El material y sus propiedades están descritas en un artículo que acaba de ser publicado online en la revista Advanced Materials. El director del equipo Tonio Buonassisi, profesor de Ingeniería Mecánica y Procesos de Fabricación es el autor senior y los principales autores son Steve Hudelson y su compañera Bonna Newman.

Los descubrimientos podrían ser útiles para disminuir el coste de la fabricación de algunos dispositivos basados en silicio, especialmente aquellos en los que cantidades diminutas de impurezas pueden reducir el rendimiento. En el material que Buonassisi y sus compañeros estudiaron, las impurezas tienden a migrar a la porción líquida, dejando atrás regiones de silicio más puro. Esto podría facilitar la producción de algunos dispositivos cuya base es el silicio, como las células solares, al utilizar un grado de silicio menos puro y por lo tanto menos caro, ya que éste podría ser purificado en el proceso de fabricación.

“Si puedes crear pequeñas gotas líquidas dentro de un bloque de silicio, éstas actuarán como pequeñas aspiradoras chupando todas las impurezas”, comentó Buonassisi. Esta investigación también llevó al desarrollo de nuevos métodos para hacer matrices de nanocables de silicio -pequeños tubos que conducen muy bien el calor y la electricidad.

Buonassisi predijo en un artículo de 2007 que podría ser posible inducir una fusión “inversa” en el silicio, pero las condiciones necesarias para producir este estado y estudiarlo a un nivel microscópico, son muy concretas y no han estado disponibles hasta hace muy poco. Para crear las condiciones adecuadas, Buonassisi y su equipo tuvieron que adaptar un microscopio para que les permitiese controlar la velocidad de calentamiento y enfriamiento. Para poder observar lo que estaba ocurriendo al enfriarse y calentarse, utilizaron un sincrotrón de alta potencia del Laboratorio Nacional de Lawrence Berkeley en California.

Los materiales para las pruebas consistieron en un “sandwich” hecho de dos delgadas capas de silicio, con un relleno de cobre, níquel y hierro en medio. Primero lo calentaron lo suficiente como para provocar que los metales se disolviesen en el silicio, pero por debajo del punto de fusión del silicio. La cantidad de metal era tan grande que el silicio se sobresaturó -es decir, se disolvió más metal del que se podría disolver en condiciones estables. Por ejemplo, cuando un líquido se caliente, puede disolver más de otro material, pero cuando se enfría puede llegar a sobresaturarse, hasta que el exceso de material se precipita.

En este caso,  los materiales se disolvieron en silicio sólido. “Al enfriarlo, llegarás a punto en el que induces la precipitación y en el que sólo podrán precipitar en fase líquida”, dijo Buonassisi. Es ahí dónde el material se funde.

Matthias Heuer, un investigador de Calisolar, una empresa de energía, dijo que el trabajo es “único y nuevo en nuestro campo” y que “da una buena perspectiva sobre la forma en la que los metales pasan de un estado a otro y cómo interactuan los defectos”. También añadió que hay varias cuestiones sin resolver para futuras investigaciones: “Ahora que sabemos que podemos crear inclusiones líquidas, la pregunta es, ¿qué eficiencia tienen? ¿son estables? ¿Pueden mantener las impurezas en un lugar concreto mientras se realizan otros procesos?”.

Este artículo ha sido traducido de MIT News y publicado bajo licencia CC by-sa
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