Ny forståelse af metastabilitet rydder vejen for næste generations materialer

De siger, at diamanter er for evigt, men diamanter er faktisk en metastabil form for kulstof, der langsomt, men til sidst vil omdanne til grafit, en anden form for kulstof. At kunne designe og syntetisere andre langlivede, termodynamisk metastabile materialer kan være en potentiel guldmine for materialedesignere, men indtil nu, forskere manglede en rationel forståelse af dem.

Nu har forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) offentliggjort en ny undersøgelse, der, for første gang, udtrykkeligt kvantificerer den termodynamiske skala for metastabilitet i næsten 30, 000 kendte materialer. Dette baner vejen for at designe og lave lovende næste generations materialer til brug i alt fra halvledere til lægemidler til stål.

"Der er en stor mulighed i metastabile materialer, men når eksperimentelle går til laboratoriet for at lave dem, processen er meget heuristisk - det er trial and error, "sagde Berkeley Lab -forsker Wenhao Sun." Det, vi har gjort i denne forskning, er at forstå de metastabile faser, der er blevet foretaget, så vi bedre kan forstå, hvilke metastabile faser der kan foretages. "

Forskningen blev offentliggjort i sidste uge i tidsskriftet Videnskab fremskridt i et papir med titlen, "Den termodynamiske skala for uorganisk krystallinsk metastabilitet." Sol, en postdoktor, der arbejder med Gerbrand Ceder i Berkeley Labs Materials Sciences Division, var hovedforfatter, og Ceder var den tilsvarende forfatter.

Undersøgelsen involverede stor dataudvinding af Materialeprojektet, som er en Google-lignende database over materialer, der bruger supercomputere til at beregne egenskaber baseret på første-principper kvantemekaniske rammer. Materialeprojektet, instrueret af Berkeley Lab -forsker Kristin Persson, som også var medforfatter til det nye papir, har beregnet egenskaber på mere end 67, 000 kendte og forudsagte materialer med det formål at fremskynde opdagelse og innovation af materialer.

"Materialedesign og -udvikling er virkelig en langsom proces, men accelereres nu kraftigt af, at vi kan beregne egenskaber for forbindelser, før de fremstilles, "Ceder sagde." Selvom vi stadig ikke helt forstår, hvilke materialer der kan laves, og hvordan, kortlægning af den underliggende termodynamik er et vigtigt første skridt. "

Broer et hul i materialevidenskabens grundlæggende paradigme

Metastabile materialer, eller materialer, der omdannes til en anden tilstand over en lang periode, er allestedsnærværende i både natur og teknologi og har ofte overlegne egenskaber. Chokolade, for eksempel, er metastabil, med et lavere smeltepunkt og bedre tekstur end stabil chokolade. Der er også metastabile stål, der både har sejhed og styrke, egenskaber, der normalt ikke findes samtidigt i de fleste stabile stål.

Forskere ville elske at udvikle nye materialer med visse egenskaber til forskellige anvendelser-et ultrastærkt, men let metal til køretøjer, for eksempel - men for at lave ethvert nyt materiale med ønskede egenskaber, materialeforskere skal forstå, hvordan syntetisering af materialet påvirker dets struktur, og derefter hvordan strukturen igen påvirker dens egenskaber og ydeevne. Det her, Sol forklarer, er materialevidenskabens grundlæggende paradigme.

"Materialeprojektet har hjulpet os med at forbinde et materiales struktur med dets egenskaber, "Ceder sagde." Det, vi har gjort her, er det første kvantitative trin i forståelsen af ​​syntese-strukturforhold. "

Sun tilbyder en analogi til mad:"Hvis Materials Project var en kogebog, det ville være som en database med ingredienser og lækre retter, men ingen opskrifter. Det er svært at designe opskrifter, fordi forskere har en dårlig forståelse for, hvorfor metastabile faser vises under 'madlavning'. Der er nogle applikationer, hvor et metastabilt materiale er bedre, og andre, hvor de stabile faser er bedre. Denne undersøgelse danner grundlag for at undersøge, hvordan man bruger computere til at forudsige opskrifter. "

Forslag til et nyt princip om metastabilitet

Tidligere har forskere havde termodynamiske tal for mindre end 1, 000 metastabile forbindelser. "Det er meget svært at undersøge metastabilitet over kendte materialer, fordi der ikke er mange data derude med hensyn til kalorimetri, som måler termodynamiske tal, "Sagde Sun.

Hvad mere er, metastabile materialer findes i mange former, spænder metallegeringer og mineraler til keramik, salte, og mere, gør en omfattende undersøgelse vanskelig. "Det, vi har gjort, er storstilet datamining på næsten 30, 000 observerede materialer til eksplicit at måle den termodynamiske skala for metastabilitet, som en funktion af en lang række parametre, som kemi og sammensætning, som uorganiske kemikere og materialer forskere kan bruge til at opbygge intuition, "Sagde Sun.

Baseret på deres observationer, forskerne gik et skridt videre, for at foreslå et nyt princip betegner de "restmetastabilitet" for at forklare, hvilke metastabile materialer der kan syntetiseres, og hvilke der ikke kan. "Vi foreslår hovedsageligt søgekriterier?? Vi identificerer, hvilke krystallinske materialer der kan laves, og muligvis under hvilke betingelser de kan laves, "Sun sagde." Vi håber, at dette kan være en mere raffineret måde at tænke på, hvilken krystalstruktur naturen vælger, når et materiale dannes. "