Silício apresenta fusão reversa, derretendo-se ao resfriar

Com informações do MIT - 03/08/2010

Um minúsculo chip de silício - o quadrado laranja brilhante no centro do dispositivo de aquecimento - é aquecido a uma temperatura bem abaixo do ponto de fusão do silício, e depois resfriado lentamente. O chip foi colocado no caminho da luz síncrotron para verificar as suas mudanças em nível molecular, mostrando a ocorrência da fusão reversa.
[Imagem: Patrick Gillooly]

Fusão reversa

Como um cubo de gelo em um dia quente, quando se aquece, a maioria dos materiais derrete - ou seja, passa do estado sólido para o estado líquido.

Mas alguns poucos materiais bizarros comportam-se ao contrário: eles derretem quando esfriam.

Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT, nos Estados Unidos, descobriu que o silício, o material largamente usado de chips de computador a células solares, pode apresentar essa estranha propriedade de "fusão reversa" quando contém altas concentrações de determinados metais dissolvidos em seu interior.

Enquanto o silício normalmente funde-se a 1.414 ºC, o material, um composto de silício, cobre, níquel e ferro, derrete-se quando esfria abaixo de 900 º C - na verdade, ele se transforma de um sólido em uma borra formada por uma mistura de sólidos e líquidos.

A transição de fase nessa temperatura mais amena permitiu observar o comportamento do material durante a fusão em nível molecular, usando uma tecnologia de microssonda fluorescente com os raios X emitidos por um síncrotron.

Células solares e baterias mais baratas

Os resultados poderão ser úteis na redução do custo de fabricação de alguns componentes eletrônicos de silício, sobretudo aqueles nos quais pequenas quantidades de impurezas são capazes de reduzir significativamente o desempenho.

No material agora sintetizado, as impurezas tendem a migrar para a parte líquida, gerando porções de silício muito puro.

Isso pode tornar possível a produção de células solares a partir de silício com um grau de pureza menor, que seria purificado durante o processo de fabricação - o silício grau solar, hoje usado para fabricar células solares, é muito mais caro do que o silício grau metalúrgico, por exemplo.

"Se você puder criar pequenas gotas de líquido dentro de um bloco de silício, elas servirão como aspiradores de pó que vão sugar as impurezas," diz o Dr. Tonio Buonassisi, coordenador da pesquisa.

A técnica também poderá levar ao desenvolvimento de novos métodos para fabricar estruturas de nanofios de silício - minúsculos tubos que são excelentes condutores de calor e eletricidade, e que estão pesquisados para várias aplicações, entre as quais a geração de energia solar e a fabricação de uma nova geração de baterias.

Superssaturação

O material que serviu para verificar a fusão reversa no silício consiste em uma espécie de sanduíche feito com duas chapas finas de silício empacotando uma camada interna feita de cobre, níquel e ferro.

O sanduíche foi inicialmente aquecido o suficiente para fazer com que os metais se dissolvessem no silício, mas abaixo do ponto de fusão do próprio silício.

A quantidade de metal tornou-se tão grande que o silício ficou superssaturado - isto é, foi dissolvida no silício uma quantidade de metal maior do que seria possível em condições estáveis.

Quando um líquido, por exemplo, é aquecido, ele pode dissolver mais de outro material, mas quando ele é novamente resfriado pode tornar-se superssaturado, até que o material em excesso precipite.

No caso do silício superssaturado, conforme a temperatura começou a baixar, atingiu-se um ponto onde se induziu a precipitação. "E não há outra forma, a não ser se precipitar em uma fase líquida," explicou Buonassisi.

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