Μια ερευνητική ομάδα αποτελούμενη από επιστήμονες των υλικών στο Πανεπιστήμιο Duke ανέπτυξε μία υπολογιστική μέθοδο μέσω της οποίας ανακάλυψαν μια νέα κατηγορία υλικών με εξαιρετικές θερμικές και ηλεκτρονικές ανοχές, τα οποία θα μπορούσαν να επιτρέψουν σε συσκευές να λειτουργούν σε θερμοκρασίες πολλών χιλιάδων βαθμών Κελσίου.
Πιο σκληρά από τον χάλυβα και σταθερά σε χημικά διαβρωτικά περιβάλλοντα, αυτά τα υλικά θα μπορούσαν επίσης να αποτελέσουν τη βάση νέων ανθεκτικών στη φθορά και διάβρωση επιστρώσεων, θερμοηλεκτρικών υλικών, μπαταριών, καταλυτών και συσκευών ανθεκτικών στην ακτινοβολία.
Οι «συνταγές» για αυτά τα υλικά -κεραμικά κατασκευασμένα με χρήση ανθρακικών νιτριδίων ή βοριδίων μετάλλων μετάπτωσης- ανακαλύφθηκαν μέσω μιας νέας υπολογιστικής μεθόδου που ονομάζεται Disturbed Enthalpy-Entropy Descriptor (DEED). Ήδη από τις πρώτες δοκιμές, η μέθοδος προέβλεψε τη δυνατότητα σύνθεσης 900 νέων συνθέσεων υλικών υψηλής απόδοσης, 17 από τα οποία στη συνέχεια δοκιμάστηκαν και παρήχθησαν με επιτυχία σε εργαστηριακό περιβάλλον.
Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Nature και περιλαμβάνουν συνεισφορές από ερευνητές στο Penn State University, Missouri University of Science and Technology, North Carolina State University και State University of New York at Buffalo.
«Η ικανότητα γρήγορης ανακάλυψης συστάσεων νέων υλικών θα επιτρέψει στους ερευνητές να επικεντρωθούν στη βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων τους, οι οποίες μπορούν να φέρουν επανάσταση στη βιομηχανία», δήλωσε ο Stefano Curtarolo, καθηγητής στο Edmund T. Pratt Jr School.
Η ομάδα του Curtarolo διατηρεί τη βάση δεδομένων Automatic-FLOW for Materials Database (AFLOW), μια τεράστια δεξαμενή δεδομένων για τις ιδιότητες των υλικών που συνδέεται με πολλά διαδικτυακά εργαλεία με στόχο τη βελτιστοποίηση αυτών των ιδιοτήτων. Αυτός ο πλούτος πληροφοριών επιτρέπει στους αλγόριθμους να προβλέπουν με ακρίβεια τις ιδιότητες των συνθέσεων υλικών, χωρίς να χρειάζεται οι ερευνητές να επιχειρήσουν να προσομοιώσουν τις πολυπλοκότητες της ατομικής δυναμικής ή να τις φτιάξουν στο εργαστήριο.
Τα τελευταία χρόνια, η ομάδα του Curtarolo εργάζεται για να αναπτύξει προγνωστικά μοντέλα για υλικά «υψηλής εντροπίας» που αντλούν ενισχυμένη σταθερότητα από ένα χαοτικό μείγμα ατόμων, αντί να βασίζονται αποκλειστικά στην πρότυπη ατομική δομή των συμβατικών υλικών. Το 2018, η ομάδα ανακάλυψε καρβίδια υψηλής εντροπίας με τη μέθοδο αυτή.
«Τα καρβίδια υψηλής εντροπίας είχαν όλα σχετικά ομοιόμορφη ποσότητα ενθαλπίας, αλλά για να προβλέψουμε νέες κεραμικές συνθέσεις με άλλα μέταλλα μετάπτωσης, έπρεπε να λάβουμε υπόψιν μας την ενθαλπία».
Για να γίνουν αντιληπτές οι έννοιες της εντροπίας και της ενθαλπίας και το ρόλο τους σε αυτήν την εφαρμογή, ας σκεφτούμε ένα 10χρονο παιδί που προσπαθεί να κατασκευάσει ένα σπίτι από έναν τεράστιο σωρό Lego. Ακόμη και με περιορισμένους τύπους δομικών στοιχείων, θα υπήρχαν πολλά πιθανά αποτελέσματα σχεδιασμού.
Με απλά λόγια, η ενθαλπία είναι ένα μέτρο του πόσο ανθεκτικό είναι κάθε σχέδιο και η εντροπία ένα μέτρο του αριθμού των πιθανών σχεδίων που έχουν όλα παρόμοια αντοχή. Το πρώτο μέγεθος αφορά σε ταξινομημένες διαμορφώσεις, ενώ το δεύτερο μέγεθος αποτυπώνει το αναπόφευκτο χάος που θα προέκυπτε καθώς το παιδί αφιερώνει περισσότερο χρόνο και ενέργεια στις ολοένα και πιο περίπλοκες κατασκευαστικές δομές. Και τα δύο μεγέθη είναι ένα μέτρο της ποσότητας ενέργειας και θερμότητας που καταλήγουν να απορροφώνται στο τελικό προϊόν.
«Για να ποσοτικοποιήσουμε άμεσα τόσο την ενθαλπία όσο και την εντροπία, έπρεπε να υπολογίσουμε την ενέργεια που περιέχεται στους εκατοντάδες χιλιάδες διαφορετικούς συνδυασμούς συστατικών που θα μπορούσαμε ενδεχομένως να δημιουργήσουμε αντί να στοχεύσουμε απευθείας στην ανεύρεση των επιθυμητών συνθέσεων», είπε ο Curtarolo. «Ήταν ένα εγχείρημα-μαμούθ».
Εκτός από την πρόβλεψη νέων συνθέσεων για διαταραγμένα κεραμικά σταθερής κατάστασης, η μέθοδος DEED βοηθά επίσης ως προς το να κατευθύνει την περαιτέρω ανάλυση τους για να ανακαλύψει τις εγγενείς ιδιότητες τους. Για να βρουν τα βέλτιστα κεραμικά για διάφορες εφαρμογές, οι ερευνητές θα χρειαστεί να βελτιώσουν αυτούς τους υπολογισμούς και να τους δοκιμάσουν εργαστηριακά.
Η υπολογιστική μέθοδος DEED είναι ειδικά προσαρμοσμένη σε μια μέθοδο παραγωγής που ονομάζεται πυροσυσσωμάτωση υπό θερμοκρασία και πίεση (hot-pressed sintering). Η μέθοδος αυτή περιλαμβάνει τη λήψη των συστατικών ενώσεων σε μορφή σκόνης και τη θέρμανση τους σε κενό σε θερμοκρασίες έως και 4.000 βαθμούς Φαρενάιτ, ενώ παράλληλα ασκείται πίεση για χρόνους που μπορεί να είναι έως και μερικές ώρες. Περιλαμβανομένων όλων των χρόνων προετοιμασίας, αντίδρασης και ψύξης, η όλη διαδικασία διαρκεί περισσότερες από οκτώ ώρες.
«Το τελευταίο βήμα της σύνθεσης, που ονομάζεται spark plasma sintering, είναι μια αναδυόμενη μέθοδος στην επιστήμη των υλικών», δήλωσε ο William Fahrenholtz, καθηγητής Κεραμικής Μηχανικής στο Missouri S&T.
Τα τελικώς διαμορφούμενα κεραμικά έχουν μεταλλική εμφάνιση και σκούρα γκρι ή μαύρη απόχρωση. Δίνουν την αίσθηση μεταλλικών κραμάτων, όπως ο ανοξείδωτος χάλυβας, και έχουν παρόμοια πυκνότητα, αλλά είναι πολύ πιο σκούρα στην εμφάνιση. Και παρόλο που φαίνονται μεταλλικά, είναι σκληρά και εύθραυστα όπως τα συμβατικά κεραμικά.
Προχωρώντας προς τα εμπρός, η ομάδα αναμένει από άλλους ερευνητές να αρχίσουν να χρησιμοποιούν τη μέθοδο DEED για να συνθέσουν και να δοκιμάσουν τις ιδιότητες νέων κεραμικών υλικών για διάφορες εφαρμογές. Δεδομένης της απίστευτης ποικιλίας δυνητικών ιδιοτήτων και χρήσεων, πιστεύουν ότι είναι θέμα χρόνου να εισέλθουν στην εμπορική παραγωγή ορισμένες από αυτές.
«Η Spark plasma sintering ή η Field Assisted Sintering Technology (FAST) δεν είναι ακόμη κοινές τεχνικές στη βιομηχανία», πρόσθεσε ο Doug Wolfe, καθηγητής επιστήμης και μηχανικής υλικών και αναπληρωτής αντιπρόεδρος για την έρευνα στο Penn State University. «Ωστόσο, οι σημερινοί κατασκευαστές κεραμικών θα μπορούσαν να στραφούν στην κατασκευή αυτών των υλικών, κάνοντας μικρές προσαρμογές στις υπάρχουσες διαδικασίες και βιομηχανικές εγκαταστάσεις».
Με πληροφορίες από labmanager.com
