由具有微型特征的模板引导的自组装凝固共晶材料由于模板引起的扩散和热梯度而表现出独特的微观结构和图案。尽管模板试图迫使材料凝固成规则的图案，但当模板携带大量热量时，它也会干扰凝固过程并导致长程图案混乱。诺伊大学厄巴纳-香槟分校和密歇根大学堡分校的研究人员开发了一种几乎不携带热量的模板材料，因此可以阻止模板材料本身和凝固的共晶材料之间的热传递。这是通过用导热率非常低的材料形成模板来实现的，最终产生高度组织的自组装微结构。

“这项研究的关键新颖之处在于我们仔细控制了热量的流动。通过控制热量的流动，图案变得比以前更好、更规则，因为我们控制了更多的参数。以前，模板控制原子的流动，但热流不受控制，”材料科学与工程教授兼材料研究实验室主任Paul Braun说，他与博士后研究员 Sung Bum Kang 一起领导了这项研究。

这项研究的结果最近发表在《先进材料》杂志上。

共晶材料是一种均匀混合物，其熔点低于任一成分的熔点。共晶系统的常见例子包括焊料(铅和锡的混合物)以及盐(氯化钠)和水的混合物。当共晶混合物从液相冷却时，它们会分离成两种材料，并在凝固前沿形成图案。该材料不会仅分离成两个大层。相反，它形成的结构包括多层结构(层状)，如分层蛋糕、棒状结构或更复杂的结构。然而，所得材料的微观结构仅在短距离内有序。自组装过程中出现的不稳定性会导致微观结构缺陷并影响所得固体材料的性能。对于许多应用，例如光学或机械，需要长距离的良好秩序。

凝固过程可以通过由柱子组成的模板来控制，这些柱子充当原子和分子运动的障碍。这迫使结构在凝固时形成更规则的图案。但布劳恩解释说，问题在于柱子携带大量热量，并且前端的形状变得复杂，而不是平坦、凝固的前端。这会导致不规则的模式和长程无序。“我们找到了如何制造支柱，使它们成为真正良好的绝缘体，”布劳恩说。“所以所有的热量都只流经正在凝固的材料。模板现在仅充当原子流动的屏障，但凝固材料和模板之间几乎没有热量移动。”

研究人员探索了导热率低于共晶体系的模板材料，发现低导热率模板材料会产生具有长程有序的高度组织化的微观结构。具体来说，他们使用的多孔硅(本质上是硅泡沫)的导热率至少比晶体硅低 100 倍。模板材料的低导热率最大限度地减少了“错误”方向的热量流动。

“模板的导热率是决定凝固过程中传热速率的关键因素，”康说。“我们用于模板的多孔硅具有较低的导热性，使得结构单元的均匀性达到约 99%。” 相比之下，对于导热率较高的晶体硅柱，预期的图案仅出现在 50% 的单元电池中。

“这意味着我们可以设计具有高度可预测和一致特性的共晶材料。这种控制水平对于均匀性直接影响性能的应用至关重要，”Kang 说。