De natuur streeft naar chaos. Dat is een mooie, geruststellende uitdrukking als er weer een kopje koffie over het toetsenbord van de computer is gevallen en je je voorstelt dat je het suikerachtige, melkachtige brouwsel terug in het koffiekopje zou willen hebben - waar het enkele seconden eerder had gestaan. Maar wensen werkt niet. Want zoals gezegd streeft de natuur naar chaos.

Wetenschappers hebben de term entropie voor dit effect bedacht - een maatstaf voor wanorde. In de meeste gevallen, als de stoornis toeneemt, verlopen processen spontaan en wordt de weg terug naar de voorheen heersende orde geblokkeerd. Zie het gemorste koffiekopje. Zelfs thermische centrales, die een enorme stoomwolk boven hun koeltoren genereren uit een keurige stapel hout of een hoop steenkool, werken aangedreven door entropie. Wanorde neemt dramatisch toe in veel verbrandingsprocessen - en mensen profiteren hiervan door een beetje energie in de vorm van elektriciteit uit het lopende proces af te tappen voor hun eigen doeleinden.

Kan entropie iets stabiliseren?

Kristallen worden beschouwd als het tegenovergestelde van wanorde. In een kristalstructuur zijn alle elementen van het rooster netjes dicht bij elkaar gesorteerd in een zo klein mogelijk volume. Dit maakt het idee dat kristallen kunnen worden gestabiliseerd door de kracht van entropie en zo een nieuwe klasse materialen creëren des te bizarder.

Entropie-gestabiliseerde materialen zijn nog een jong onderzoeksgebied. Het begon in 2004 met zogenaamde hoge-entropielegeringen, mengsels van vijf of meer elementen die met elkaar kunnen worden gemengd. Als het mengsel succesvol is en alle elementen homogeen zijn verdeeld, ontstaan ​​er soms bijzondere eigenschappen die niet van de afzonderlijke ingrediënten komen, maar van hun mengsel. Wetenschappers noemen dit 'cocktail-effecten'.

Zelfs in de hitte heerst de chaos

Sinds 2015 is bekend dat zelfs keramische kristallen kunnen worden gestabiliseerd door de 'kracht van wanorde'. Op deze manier passen zelfs te grote en minuscule elementen in het kristal, die het normaal gesproken zouden vernietigen. Het onderzoeksteam van Empa is er al in geslaagd om negen verschillende atomen in een kristal te plaatsen. Het voordeel is dat ze zelfs bij hoge temperaturen stabiel blijven, omdat het "herschikken" tot meer orde zou leiden. Het natuurlijke streven naar maximale wanorde stabiliseert zo de ongewone kristalstructuur - en daarmee het hele materiaal.

"Met maximaal vier componenten in het kristal is alles nog steeds normaal; met vijf componenten en meer verandert de wereld", legt Michael Stuer uit, een onderzoeker op de afdeling High Performance Ceramics van Empa. Sinds de in Luxemburg opgegroeide onderzoeker in 2019 bij Empa kwam werken, werkt hij op het onderzoeksgebied van kristallen met hoge entropie. "Deze klasse van materialen opent een breed scala aan nieuwe mogelijkheden voor ons", zegt Stuer. "We kunnen kristallen stabiliseren die anders zouden uiteenvallen als gevolg van interne spanningen. En we kunnen zeer actieve kristaloppervlakken creëren die nog nooit eerder hebben bestaan ​​en op zoek gaan naar interessante cocktaileffecten."

Samen met zijn collega Amy Knorpp trekt Stuer nu het onbekende in. De twee zijn specialisten in de productie van fijn kristalpoeder en hebben collega's bij Empa voor röntgen- en oppervlakteanalyse om de monsters die ze produceren nauwkeurig te karakteriseren. Met hun hulp wil Michael Stuer nu in de voorhoede van de internationale scene staan. "Het aantal publicaties over het onderwerp hoge entropiekristallen neemt momenteel heel sterk toe. En daar willen we vanaf het begin bij zijn", zegt de onderzoeker.

Kenniseilanden

Wat nu nodig is, is een planmatige aanpak, expertise en een flinke dosis doorzettingsvermogen. Waar begin je? Welke richting kiest men? "Op dit moment is er geen coherente expertise, geen volledig overzicht van dit nieuwe onderzoeksgebied", zegt Stuer. "Verschillende onderzoeksgroepen over de hele wereld werken aan beperkte projecten. Er ontstaan ​​dus individuele eilanden van kennis die de komende jaren samen moeten groeien."

Michel Stuer en Amy Knorpp richten zich op katalytisch actieve materialen. De chemische reactie waarin ze geïnteresseerd zijn, omvat het combineren van CO₂ en waterstof om methaan te vormen. Het doel is om van een broeikasgas een duurzame, opbergbare brandstof te maken. "We weten dat CO₂ moleculen bijzonder goed adsorberen op bepaalde oppervlakken en dat de gewenste reactie dan gemakkelijker en sneller plaatsvindt", zegt Amy Knorpp. "Nu proberen we entropische kristallen te produceren op wiens oppervlakken zulke zeer actieve gebieden bestaan."

Chemische assemblagelijn

Om sneller vooruitgang te boeken, hebben de onderzoekers met behulp van Empa's werkplaats een speciaal syntheseapparaat gebouwd, waarin veel verschillende chemische mengsels achter elkaar kunnen worden getest, als aan een lopende band. In de "Segmented Flow Tubular Reactor" lopen kleine belletjes door een buis waarin de betreffende reactie plaatsvindt. Aan het einde worden de bubbels geleegd en kan het poeder dat ze bevatten verder worden verwerkt.

"De 'Tubular Flow Reactor' heeft voor ons een enorm voordeel:alle bellen zijn even groot, daarom hebben we altijd ideale en consistente randvoorwaarden voor onze syntheses", legt Stuer uit. "Als we grotere hoeveelheden van een bijzonder veelbelovend mengsel nodig hebben, produceren we gewoon meerdere bellen achter elkaar met hetzelfde mengsel."

De ramen aan de rechterkant

Het voorloperpoeder wordt vervolgens door verschillende droogprocessen omgezet in fijne kristallen van de gewenste grootte en vorm. "Kristalen zijn als huizen, ze hebben gesloten buitenmuren en sommige met ramen", legt Michael Stuer uit. Soms geeft de vorm van het kristal al de raamzijde aan. Bijvoorbeeld wanneer een mengsel naaldvormige kristallen vormt. "De lange zijden van de naald zijn die met een lagere energie. Daar gebeurt niet veel. De kristalranden aan de uiteinden van de naalden zijn daarentegen energiek. Dat is waar het interessant wordt," zei Stuer.

Voor hun eerste grote project werken de Empa-onderzoekers samen met collega's van het Paul Scherrer Instituut (PSI). Ze onderzoeken de mogelijke methanisering van CO₂ uit biogasinstallaties en rioolwaterzuiveringsinstallaties in een experimentele reactor. De PSI-onderzoekers hebben al ervaring opgedaan met verschillende katalysatoren en stuiten herhaaldelijk op een probleem:de katalysator, op wiens oppervlak de chemische reactie plaatsvindt, verzwakt na verloop van tijd. Dit komt doordat zwavelcomponenten in het biogas het oppervlak vervuilen of dat de katalysatoroppervlakken bij hoge temperaturen een chemische transformatie ondergaan.

Hier zoeken de onderzoekers naar een doorbraak met entropische kristallen; deze gaan immers niet kapot, zelfs niet bij hoge temperaturen - ze worden gestabiliseerd door chaos. "We hopen dat onze kristallen langer meegaan in het proces en mogelijk ongevoeliger zijn voor zwavelvervuiling", zegt Stuer.

Een kaart tekenen

Daarna zijn de kristalspecialisten van Empa klaar voor andere uitdagingen, zoals high-performance batterijen, supergeleidende keramiek of katalysatoren voor auto-uitlaatgassen en andere chemische productieprocessen. "Het is een donker bos waar we in lopen", zegt Amy Knorpp. "Maar we hebben een gok in welke richting iets zou kunnen worden gevonden. Nu tekenen we een kaart van deze systemen. Ergens daarbuiten, denken we, is een schat aan inzichten verborgen."

Hun recente onderzoek is gepubliceerd in CHIMIA . + Verder verkennen

Theorie voorspelt nieuw type binding die nanodeeltjeskristallen assembleert