Para derreter, basta esfriar: composto apresenta propriedade inversa

Um chip de silício minúsculo – quadrado laranja brilhante no centro do dispositivo especial de aquecimento – é aquecido a uma temperatura bem inferior ao ponto de fusão do silício e, em seguida, é resfriado muito lentamente. O chip dentro deste dispositivo de aquecimento foi colocado no caminho do feixe do síncrotron para observar suas alterações ao nível molecular, quando ele passava pelo processo de fusão retrógrada. Crédito: cortesia de Patrick Gilloly.

O calor na medida certa faz materiais derreterem, certo? Cientistas descobriram que o inverso também pode ocorrer: compostos de alguns materiais entram em fusão a baixas temperaturas, isto é, eles derretem quando esfriam.

A equipe liderada pelo professor de engenharia mecânica Tonio Buonassisi do Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), EUA, descobriu que o silício, um material amplamente utilizado em chips de computador e células solares, pode apresentar essa estranha propriedade de “fusão retrógrada”. O fenômeno ocorre quando concentrações elevadas de certos metais estão dissolvidas no silício. A descoberta é descrita em artigo encabeçado por Steve Hudelson e publicado na revista Advanced Materials.

O material, um composto parecido com um sanduiche feito com duas camadas finas de silício, com recheio de cobre, níquel e ferro entre elas, “derrete” – passa do estado sólido para uma mistura de materiais sólidos e líquidos – quando esfria abaixo de 900 graus Celsius, apesar de o silício puro entrar em fusão a 1414 graus Celsius.

O sanduiche foi aquecido abaixo do ponto de fusão do silício para dissolver apenas os metais do recheio.  A quantidade de metal foi tal que o silício se tornou saturado — isto é, uma quantidade maior de metais do recheio foi dissolvida no silício, o que normalmente só seria possível em condições estáveis. Por exemplo, quando um líquido é aquecido, ele pode dissolver outro material muito mais, mas depois quando arrefecido ele pode ficar supersaturado, até que, finalmente, o material em excesso se precipita.

Neste caso, onde os metais foram dissolvidos dentro do silício sólido, “se você começar a esfriar o material, você chega a um ponto que induz a precipitação”, diz Buonassisi. É neste ponto que o material derrete.

O fenômeno foi observado utilizando-se um síncrotron – um tipo de acelerador de partículas – baseado em tecnologia especializada de raios-X microprova de fluorescência.  

A descoberta poderá der útil para a redução do custo de fabricação de alguns dispositivos com base em silício, especialmente aqueles em que pequenas quantidades de impurezas podem reduzir significativamente o desempenho. No material que Buonassisi e seus colaboradores estudaram, as impurezas tendem a migrar para a parte líquida, deixando as regiões de maior pureza de silício para trás. Isso poderia tornar possível produzir alguns dispositivos baseados em silício – por exemplo, células solares – usando um grau de silício menos puro e, portanto, mais barato, que seria purificado durante o processo de fabricação.

“Se você puder criar pequenas gotas líquidas dentro de um bloco de silício, elas farão o papel de aspiradores de pó para sugar impurezas,” diz Buonassisi.

Esta pesquisa poderá também levar a novos métodos para fazer matrizes de nanofios de silício — pequenos tubos que são altamente condutores de calor e eletricidade.

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