Ze zeggen dat diamanten voor altijd zijn, maar diamanten zijn in feite een metastabiele vorm van koolstof die langzaam maar zeker zal veranderen in grafiet, een andere vorm van koolstof. In staat zijn om andere langlevende, thermodynamisch metastabiele materialen kunnen een potentiële goudmijn zijn voor materiaalontwerpers, maar tot nu toe, wetenschappers ontbrak een rationeel begrip van hen.

Nu hebben onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy een nieuwe studie gepubliceerd die, Voor de eerste keer, kwantificeert expliciet de thermodynamische schaal van metastabiliteit voor bijna 30, 000 bekende materialen. Dit maakt de weg vrij voor het ontwerpen en maken van veelbelovende materialen van de volgende generatie voor gebruik in alles, van halfgeleiders tot farmaceutische producten tot staal.

"Er is veel mogelijk in de ruimte van metastabiele materialen, maar als experimentatoren naar het lab gaan om ze te maken, het proces is erg heuristisch - het is vallen en opstaan, " zei Berkeley Lab-onderzoeker Wenhao Sun. "Wat we in dit onderzoek hebben gedaan, is de metastabiele fasen begrijpen die zijn gemaakt, zodat we beter kunnen begrijpen welke metastabiele fasen gemaakt kunnen worden."

Het onderzoek is vorige week gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang in een paper getiteld, "De thermodynamische schaal van anorganische kristallijne metastabiliteit." Zon, een postdoctoraal onderzoeker die samenwerkt met Gerbrand Ceder in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, was de hoofdauteur, en Ceder was de corresponderende auteur.

Het onderzoek omvatte grootschalige datamining van het Materials Project, dat is een Google-achtige database van materialen die supercomputers gebruikt om eigenschappen te berekenen op basis van kwantummechanische kaders van de eerste beginselen. Het materiaalproject, geregisseerd door Berkeley Lab-onderzoeker Kristin Persson, die ook co-auteur was van het nieuwe artikel, heeft berekende eigenschappen van meer dan 67, 000 bekende en voorspelde materialen met als doel de ontdekking en innovatie van materialen te versnellen.

"Het ontwerpen en ontwikkelen van materialen is echt een langzaam proces, maar wordt nu enorm versneld door het feit dat we eigenschappen van verbindingen kunnen berekenen voordat ze worden gemaakt, Ceder zei. "Hoewel we nog steeds niet helemaal begrijpen welke materialen gemaakt kunnen worden en hoe, het in kaart brengen van de onderliggende thermodynamica is een belangrijke eerste stap."

Een kloof overbruggen in het fundamentele paradigma van de materiaalwetenschap

Metastabiele materialen, of materialen die gedurende een lange periode in een andere staat veranderen, zijn alomtegenwoordig in zowel natuur als technologie en hebben vaak superieure eigenschappen. Chocolade, bijvoorbeeld, is metastabiel, met een lager smeltpunt en een betere textuur dan stabiele chocolade. Er zijn ook metastabiele staalsoorten die zowel taaiheid als sterkte hebben, eigenschappen die normaal gesproken niet gelijktijdig voorkomen in de meeste stabiele staalsoorten.

Wetenschappers zouden graag nieuwe materialen ontwikkelen met bepaalde eigenschappen voor verschillende toepassingen:een ultrasterk maar lichtgewicht metaal voor voertuigen, bijvoorbeeld, maar om elk nieuw materiaal met de gewenste eigenschappen te maken, materiaalwetenschappers moeten begrijpen hoe het synthetiseren van het materiaal de structuur ervan beïnvloedt, en vervolgens hoe de structuur op zijn beurt zijn eigenschappen en prestaties beïnvloedt. Dit, Zon legt uit, is het fundamentele paradigma van de materiaalwetenschap.

"Het Materials Project heeft ons geholpen de structuur van een materiaal te koppelen aan zijn eigenschappen, Ceder zei. "Wat we hier hebben gedaan is de eerste kwantitatieve stap in het begrijpen van synthese-structuurrelaties."

Sun biedt een analogie met eten:"Als het Materials Project een kookboek was, het zou zijn als een database met ingrediënten en heerlijke gerechten, maar geen recepten. Het ontwerpen van recepten is moeilijk omdat wetenschappers slecht begrijpen waarom metastabiele fasen verschijnen tijdens 'koken'. Er zijn enkele toepassingen waarbij een metastabiel materiaal beter is, en andere waar de stabiele fasen beter zijn. Deze studie legt een basis om te onderzoeken hoe computers kunnen worden gebruikt om recepten te voorspellen."

Een nieuw principe van metastabiliteit voorstellen

Eerder, wetenschappers hadden thermodynamische getallen voor minder dan 1, 000 metastabiele verbindingen. "Het is erg moeilijk om de metastabiliteit van bekende materialen te onderzoeken, omdat er niet veel gegevens zijn op het gebied van calorimetrie, dat is het meten van thermodynamische getallen, ' zei Zon.

Bovendien, metastabiele materialen zijn er in vele vormen, van metaallegeringen en mineralen tot keramiek, zouten, en meer, een uitgebreid onderzoek bemoeilijken. "Wat we hebben gedaan is grootschalige datamining op bijna 30, 000 waargenomen materialen om de thermodynamische schaal van metastabiliteit expliciet te meten, als functie van een grote verscheidenheid aan parameters, zoals chemie en compositie, die anorganische chemici en materiaalwetenschappers kunnen gebruiken om intuïtie op te bouwen, ' zei Zon.

Op basis van hun observaties, de onderzoekers gingen een stap verder, om een ​​nieuw principe voor te stellen noemen ze "restmetastabiliteit" om uit te leggen welke metastabiele materialen kunnen worden gesynthetiseerd en welke niet. "We stellen in wezen zoekcriteria voor - we identificeren welke kristallijne materialen kunnen worden gemaakt, en eventueel onder welke voorwaarden ze gemaakt kunnen worden, " zei Sun. "We hopen dat dit een meer verfijnde manier kan zijn om na te denken over welke kristalstructuur de natuur kiest wanneer een materiaal wordt gevormd."