Als je een diepgewortelde, zeurende zorg hebt over het laten vallen van je telefoon in gesmolten lava, heb je geluk. Een onderzoeksteam onder leiding van materiaalwetenschappers van Duke University heeft een methode ontwikkeld om snel een nieuwe klasse materialen te ontdekken met hitte- en elektronische toleranties die zo robuust zijn dat ze apparaten in staat zouden kunnen stellen om te functioneren bij lava-achtige temperaturen van meer dan enkele duizenden graden Fahrenheit. P>

Deze materialen zijn harder dan staal en stabiel in chemisch corrosieve omgevingen en kunnen ook de basis vormen van nieuwe slijtvaste en corrosiebestendige coatings, thermo-elektrische componenten, batterijen, katalysatoren en stralingsbestendige apparaten.

De recepten voor deze materialen – keramiek gemaakt met overgangsmetalen carbonitriden of boriden – werden ontdekt via een nieuwe computermethode genaamd Disordered Enthalpy-Entropy Descriptor (DEED). Tijdens de eerste demonstratie voorspelde het programma de synthetiseerbaarheid van 900 nieuwe formuleringen van hoogwaardige materialen, waarvan er 17 vervolgens werden getest en met succes in laboratoria werden geproduceerd.

De resultaten verschijnen in het tijdschrift Nature en omvatten bijdragen van medewerkers van Penn State University, Missouri University of Science and Technology, North Carolina State University en State University of New York in Buffalo.

"Het vermogen om snel synthetiseerbare composities te ontdekken, zal onderzoekers in staat stellen zich te concentreren op het optimaliseren van hun industrieverstorende eigenschappen", zegt Stefano Curtarolo, de Edmund T. Pratt Jr. School Distinguished Professor of Mechanical Engineering and Materials Science aan Duke.

De Curtarolo-groep onderhoudt de Duke Automatic-FLOW for Materials Database (AFLOW) - een enorm reservoir aan gegevens over materiaaleigenschappen die zijn verbonden met veel online tools voor materiaaloptimalisatie. Dankzij deze schat aan informatie kunnen algoritmen de eigenschappen van onontdekte mengsels nauwkeurig voorspellen zonder dat ze hoeven te proberen de complexiteit van de atomaire dynamiek te simuleren of deze in het laboratorium te maken.

De afgelopen jaren heeft de Curtarolo-groep gewerkt aan het ontwikkelen van voorspellende krachten voor materialen met een hoge entropie die verbeterde stabiliteit ontlenen aan een chaotisch mengsel van atomen in plaats van uitsluitend te vertrouwen op de ordelijke atomaire structuur van conventionele materialen. In 2018 ontdekten ze carbiden met een hoog entropiegehalte, wat een eenvoudiger scenario voor een speciaal geval was.

"De carbiden met een hoog entropiegehalte hadden allemaal een relatief uniforme hoeveelheid enthalpie, dus we konden een deel van de vergelijking negeren", zei Curtarolo. "Maar om nieuwe keramische recepten met andere overgangsmetalen te voorspellen, moesten we de enthalpie aanpakken."

Om de concepten entropie en enthalpie in deze toepassing beter te begrijpen, moet je denken aan een tienjarige die een hondenhok probeert te bouwen uit een gigantische stapel Lego. Zelfs met beperkte typen bouwstenen zijn er veel mogelijke ontwerpresultaten mogelijk.

Simpel gezegd is enthalpie een maatstaf voor hoe stevig elk ontwerp is, en entropie een maatstaf voor het aantal mogelijke ontwerpen die allemaal dezelfde sterkte hebben. De eerste bevordert geordende configuraties, zoals die in instructieboekjes te vinden zijn. Dit laatste legt de onvermijdelijke chaos vast die zou ontstaan ​​als het kind meer tijd en energie steekt in de steeds verwarrender wordende bouwinspanning. Beide zijn een maatstaf voor de hoeveelheid energie en warmte die uiteindelijk in het eindproduct wordt opgenomen.

"Om zowel enthalpie als entropie snel te kwantificeren, moesten we de energie berekenen die vervat zit in de honderdduizenden verschillende combinaties van ingrediënten die we potentieel zouden kunnen creëren in plaats van de keramiek waarnaar we op zoek zijn", zei Curtarolo. "Het was een gigantische onderneming."

Naast het voorspellen van nieuwe recepten voor stabiel ongeordend keramiek, helpt DEED ook bij het sturen van hun verdere analyse om hun inherente eigenschappen te ontdekken. Om de optimale keramiek voor verschillende toepassingen te vinden, zullen onderzoekers deze berekeningen moeten verfijnen en fysiek testen in laboratoria.

DEED is specifiek afgestemd op een productiemethode die heetgeperst sinteren heet. Dit omvat het nemen van poedervormige vormen van de samenstellende verbindingen en het verwarmen ervan in een vacuüm tot wel 4000 graden Fahrenheit, terwijl druk wordt uitgeoefend gedurende tijden die wel een paar uur kunnen duren. Tussen alle voorbereidings-, reactie- en afkoeltijden door duurt het hele proces meer dan acht uur.

"De laatste stap in de synthese, vonkplasma-sinteren genoemd, is een opkomende methode in de materiaalkunde die gebruikelijk is in onderzoekslaboratoria", zegt William Fahrenholtz, de Curators' Distinguished Professor of Ceramic Engineering aan Missouri S&T.

Het afgewerkte keramiek heeft een metallic uiterlijk en ziet er donkergrijs of zwart uit. Ze voelen aan als metaallegeringen zoals roestvrij staal en hebben een vergelijkbare dichtheid, maar zijn veel donkerder van uiterlijk. En ook al zien ze er metaalachtig uit, ze zijn net zo hard en bros als conventioneel keramiek.

In de toekomst verwacht de groep dat andere onderzoekers DEED zullen gaan gebruiken om de eigenschappen van nieuwe keramische materialen voor verschillende toepassingen te synthetiseren en te testen. Gezien het ongelooflijke scala aan potentiële eigenschappen en toepassingen, denken ze dat het slechts een kwestie van tijd is voordat een aantal ervan in commerciële productie gaan.

"Vonkplasma-sinteren of veldondersteunde sintertechnologie (FAST) is nog geen gebruikelijke techniek in de industrie", zegt Doug Wolfe, hoogleraar materiaalkunde en -techniek en associate vice-president voor onderzoek aan Penn State. "De huidige keramische fabrikanten zouden deze materialen echter kunnen gaan maken door kleine aanpassingen aan bestaande processen en faciliteiten aan te brengen."

Meer informatie: Stefano Curtarolo, Ongeordende enthalpie-entropie-descriptor voor ontdekking van keramiek met hoge entropie, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06786-y. www.nature.com/articles/s41586-023-06786-y

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Duke University