El Dr. Hande Ozcan y el Dr. Ibrahim Karaman, jefe de departamento y profesor de Chevron, descubrieron un nuevo método para hacer crecer monocristales y controlar simultáneamente su orientación de crecimiento sin procesamiento por fusión.

El descubrimiento de este nuevo método de control de orientación y crecimiento de cristales en estado sólido se publicó recientemente en la revista Acta Materialia. El trabajo de investigación se centra en el crecimiento de monocristales grandes y su capacidad para cambiar su orientación cristalográfica. La orientación cristalográfica describe la alineación de los cristales dentro de una muestra a granel.

« Hemos estado trabajando en monocristales durante las últimas tres décadas, pero hacer crecer los cristales con procesamiento por fusión y controlar sus orientaciones ha sido todo un desafío », dijo Karaman. « El método que Hande descubrió ahora nos ahorra mucho tiempo y brinda más flexibilidad. Hay más para explorar; eso es lo que nos emociona con este nuevo método ».

Según el trabajo de investigación, controlar el tamaño, la forma y la orientación cristalográfica de los monocristales es vital para explotar las propiedades deseadas. Ozcan dijo que este método es importante para aplicaciones que requieren materiales con propiedades anisotrópicas.

« Este mecanismo permite que estos materiales cambien su orientación en estado sólido sin técnicas de procesamiento de fusión engorrosas y costosas. Esto es importante porque estos materiales exhiben diferentes propiedades cuando tienen diferentes direcciones cristalográficas », dijo Ozcan.

Por primera vez, Ozcan ha visto que las orientaciones cristalográficas se pueden cambiar a esta gran escala.

« Esto podría cambiar fundamentalmente la forma en que observamos los monocristales y manipulamos las propiedades de los materiales, porque con los métodos de estado sólido, no solo podemos hacer crecer monocristales grandes muy fácilmente, sino que, al mismo tiempo, ahora podemos jugar con su orientación cristalográfica ». dijo Ozcan.

Los monocristales son esenciales para la microelectrónica, los cristales ópticos, los dispositivos magnéticos, las células solares, los componentes piezoeléctricos y las aleaciones multifuncionales. Un ejemplo de caso de uso específico para estos materiales son las aleaciones multifuncionales con memoria de forma. Estos materiales pueden cambiar de forma y recuperarse al aplicar calor o tensión.

« Por ejemplo, puedes deformar el material cuando aplicas una carga, pero cuando lo sueltas, vuelve a su forma original », dijo Ozcan.

Estas propiedades dependen en gran medida de la orientación del monocristal; algunas orientaciones exhiben esta recuperación de manera perfecta, y otras no. Por lo tanto, el control de la orientación es fundamental para obtener propiedades funcionales superiores.

Otra ventaja de esta técnica, según el trabajo de investigación, es que no requiere equipos complejos y costosos.

Tradicionalmente, las técnicas de crecimiento por fusión, denominadas procesos de Bridgman y Czochralski, se utilizan para obtener cristales grandes con una orientación preferida. Sin embargo, controlar la orientación del cristal sigue siendo un desafío.

Estos métodos se basan en la disponibilidad de cristales semilla adecuados, nucleación precisa y control del perfil térmico durante el procesamiento.

Debido a esta complejidad, estos métodos son muy costosos. El nuevo método se denomina técnica de crecimiento de cristales en estado sólido (SSCG), un método en el que se pueden fabricar grandes cristales a granel con diferentes orientaciones cristalográficas con tratamientos térmicos simples.

En este proceso, los cristales producidos son más versátiles y pueden lograr una mejor homogeneidad química que en las técnicas de crecimiento en estado fundido utilizadas tradicionalmente.

El equipo de investigación de Texas A&M demostró el método SSCG en dos sistemas de aleación, FeMnAlNi y CuMnAl, y logró cambios de orientación masivos y repetidos en el estado sólido.

Estos hallazgos ofrecen una nueva estrategia para manipular la orientación de monocristales grandes bajo demanda para aprovechar sus propiedades superiores y altamente anisotrópicas, según el trabajo de investigación.

« Este proceso funciona con materiales que tienen precipitados semicoherentes y que tienen regiones de dos fases en su diagrama de fase », dijo Ozcan. « Cuando cambia el material de temperaturas altas a bajas en una región de dos fases varias veces, los precipitados se nuclean y se disuelven y dejan atrás los límites de los subgranos. Luego, los granos comienzan a crecer, disminuyendo el exceso de energía de los límites de los subgranos. Estos granos continúan creciendo y fusionar, y finalmente, puedes obtener un solo cristal ».

Cuando continúa ciclando el material después de que se convierte en un solo cristal, no hay otras formas de reducir el exceso de energía en el sistema y activa un mecanismo que cambia su orientación cristalográfica.

« En realidad, descubrimos esta técnica mientras trabajábamos en otra cosa. No estábamos apuntando específicamente a cambiar la orientación cristalográfica », dijo Ozcan. « Estábamos trabajando en el cultivo de monocristales grandes ».

Durante ese proceso, Ozcan y el equipo descubrieron que en solo unos pocos ciclos, las aleaciones se convertirían en monocristales y, con ciclos adicionales, se dio cuenta de que la orientación de los monocristales comenzó a cambiar por completo.

« Le mostré los resultados al Dr. Karaman y estaba muy emocionada », dijo. « Después de eso, empezamos a entender qué estaba pasando y por qué estaba cambiando la orientación del cristal; probamos diferentes métodos y programas de procesamiento para manipular este cambio.

Este descubrimiento abrirá extensas áreas de investigación, dijo. Este es solo el comienzo de este nuevo y emocionante camino para encontrar nuevos materiales.