作者:露易丝·约苏伊兰，伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校

一个模型显示了一个简单的分层材料，用橙色和蓝色描绘，当它在一个模板周围冻结时，如何转变成一个复杂的阿基米德结构的复合材料，用灰色描绘。

由自组装无机材料制成的复合材料因其独特的强度和热、光、磁性能而受到重视。然而，因为自组装可能难以控制，所以形成的结构可能高度无序，导致大规模生产期间的缺陷。伊利诺伊大学和密歇根大学的研究人员开发了一种模板技术，这种技术可以在一种叫做共晶的特殊材料类别中注入更大的秩序并产生新的三维结构，从而形成新的高性能材料。

合作研究的结果发表在杂志上自然。

共晶材料包含具有不同熔化和凝固温度的元素和化合物。然而，研究人员说，当结合在一起时，形成的复合物具有单一的熔化和冻结温度——就像盐和水结合形成盐水一样，盐水的冻结温度低于水或盐单独的温度。当共晶液体凝固时，单个成分分离，形成内聚结构——最常见的是层状结构。共晶材料自组装成复合材料的事实使它们成为许多现代技术的高度理想材料，从高性能涡轮叶片到焊料合金。

“具有单一熔点的优点在于复合材料“加工，”保罗·布劳恩说，他是材料科学与工程教授，也是领导该项目的美国材料研究实验室的主任我们不是单独沉积材料层，而是从固化时自组装的液体开始。这可以加快生产速度，并允许我们一次生产更多的产品。"

保罗·布劳恩教授带领一个团队开发了一种新的模板系统，以帮助控制一类特殊无机复合材料的质量和独特性能。图:弗雷德·兹维奇

然而，自己组装的会导致问题，他说，因为它不受控制的本质会形成缺陷。

伊利诺伊州研究生和该研究的第一作者阿希什·库尔卡尼说:“模板是有机聚合物加工中常用的方法。”。“然而，这并不是什么已经探索过的东西无机材料因为无机微结构更坚硬，更难控制。"

为了在实验室演示这一过程，该团队构建了带有六边形微小柱的模板，以控制熔融物的再固化氯化银和氯化钾—一种共晶材料，冷却时自然形成层。

密歇根大学材料科学与工程教授Katsuyo Thornton说:“如果不加以控制，这个系统将形成的唯一微观结构就是层。”他与研究生埃里克汉森进行了计算机模拟，他们都是研究的共同作者。“我们可以改变冷却速度，使各层更厚或更薄，但模式保持不变。通过添加一个液体在周围凝固的模板，我们希望会出现新的模式。”

密歇根大学工程师Katsuyo Thornton教授(左)和研究生埃里克汉森。图:保罗·布劳恩

研究小组发现，随着银和氯化钾在六边形模板周围熔化固化，柱子阻碍了层的形成，反而产生了一种由不同的正方形、三角形和蜂窝状微结构组成的复合材料——结构细节取决于模板上柱子之间的距离。

布朗说:“这些模板和新形成的结构的重复性质减少了缺陷形成的机会。”。“因此，我们不仅形成了令人兴奋的新微观结构，还减少了合成材料中的缺陷数量。”

研究人员将探索新的微观结构如何影响各种共晶材料的物理性质。

布劳恩说:“我们在实验中使用的材料是透明的，所以第一个方向可能是探索光学材料，光子晶体领域有很大的潜力。”。“我们离实际应用还有很长的路要走，但可能性很大。”