Har kontrol over kaos for at konstruere højentropi keramik

Naturen stræber efter kaos. Det er en dejlig, trøstende sætning, når endnu en kaffekop er væltet over computerens tastatur, og du forestiller dig, at du kunne ønske det sukkerholdige, mælkeagtige bryg tilbage i kaffekoppen – hvor det havde været få sekunder før. Men at ønske virker ikke. For som nævnt stræber naturen efter kaos.

Forskere har opfundet udtrykket entropi for denne effekt - et mål for uorden. I de fleste tilfælde, hvis lidelsen øges, kører processer spontant, og vejen tilbage til den tidligere fremherskende orden er blokeret. Se den spildte kaffekop. Selv termiske kraftværker, som genererer en enorm sky af damp over deres køletårn fra en pæn bunke træ eller en bunke stenkul, fungerer drevet af entropi. Uorden øges dramatisk i mange forbrændingsprocesser – og mennesker udnytter dette ved at tappe en smule energi i form af elektricitet fra den igangværende proces til deres egne formål.

Kan entropi stabilisere noget?

Krystaller betragtes som den rene modsætning af uorden. I en krystalstruktur er alle gitterets elementer pænt sorteret tæt sammen i mindst mulig volumen. Dette gør tanken om, at krystaller kan stabiliseres af entropiens kraft og dermed skabe en ny klasse af materialer, endnu mere bizar.

Entropi-stabiliserede materialer er stadig et ungt forskningsfelt. Det begyndte i 2004 med såkaldte højentropi-legeringer, blandinger af fem eller flere grundstoffer, der kan blandes sammen. Hvis blandingen lykkes, og alle grundstofferne er homogent fordelt, opstår der nogle gange særlige egenskaber, som ikke kommer fra de enkelte ingredienser, men fra deres blanding. Forskere kalder disse "cocktaileffekter."

Selv i varmen hersker kaosset

Siden 2015 har det været kendt, at selv keramiske krystaller kan stabiliseres af "uordenens magt." På denne måde passer selv overdimensionerede og miniscule elementer ind i krystallen, som normalt ville ødelægge den. Empa-forskerholdet er allerede lykkedes med at indsætte ni forskellige atomer i en krystal. Fordelen er, at de forbliver stabile selv ved høje temperaturer - fordi at "omarrangere" dem ville føre til større orden. Den naturlige stræben efter maksimal uorden stabiliserer således den usædvanlige krystalstruktur – og dermed hele materialet.

"Med op til fire komponenter i krystallen er alt stadig normalt; med fem komponenter og mere ændrer verden sig," forklarer Michael Stuer, en forsker i Empas High Performance Ceramics-afdeling. Siden den luxembourgske forsker kom til Empa i 2019, har han arbejdet med forskningsfeltet for højentropikrystaller. "Denne klasse af materialer åbner en bred vifte af nye muligheder for os," siger Stuer. "Vi kan stabilisere krystaller, der ellers ville gå i opløsning på grund af indre spændinger. Og vi kan skabe meget aktive krystaloverflader, der aldrig har eksisteret før og lede efter interessante cocktaileffekter."

Sammen med sin kollega Amy Knorpp drager Stuer nu ud i det ukendte. De to er specialister i fremstilling af fint krystalpulver, og de har kolleger hos Empa til røntgen- og overfladeanalyse for præcist at karakterisere de prøver, de producerer. Med deres hjælp ønsker Michael Stuer nu at være på forkant med den internationale scene. "Antallet af publikationer om emnet højentropikrystaller stiger meget stærkt lige nu. Og vi vil gerne være der lige fra starten," siger forskeren.

Kundskabens øer

Det, der er brug for nu, er en systematisk tilgang, ekspertise og en god portion vedholdenhed. Hvor starter du? Hvilken retning tager man? "I øjeblikket er der ingen sammenhængende ekspertise, intet komplet overblik over dette nye forskningsfelt," siger Stuer. "Forskellige forskningsgrupper rundt om i verden arbejder på begrænsede projekter. Så individuelle øer af viden dukker op, som skal vokse sammen i løbet af de næste par år."

Michel Stuer og Amy Knorpp fokuserer på katalytisk aktive materialer. Den kemiske reaktion, de er interesseret i, involverer at kombinere CO₂ og hydrogen til dannelse af methan. Målet er at omdanne en drivhusgas til et bæredygtigt brændstof, der kan lagres. "Vi ved, at CO₂ molekyler adsorberer særligt godt på visse overflader, og at den ønskede reaktion så finder sted lettere og hurtigere," siger Amy Knorpp. "Nu forsøger vi at producere entropiske krystaller, på hvis overflader der findes så meget aktive områder."

Kemisk samlebånd

For at komme hurtigere frem har forskerne bygget et særligt synteseapparat ved hjælp af Empas værksted, hvor mange forskellige kemikalieblandinger kan testes efter hinanden, som på et samlebånd. I "Segmented Flow Tubular Reactor" løber små bobler gennem et rør, hvori den respektive reaktion finder sted. Til sidst tømmes boblerne, og pulveret, de indeholder, kan viderebearbejdes.

"'Tubular Flow Reactor' har en kæmpe fordel for os:alle boblerne har samme størrelse, hvorfor vi altid har ideelle og konsistente grænsebetingelser for vores synteser," forklarer Stuer. "Hvis vi har brug for større mængder af en særlig lovende blanding, producerer vi ganske enkelt flere bobler med den samme blanding efter hinanden."

Vinduerne i højre side

Prækursorpulveret omdannes derefter til fine krystaller af den ønskede størrelse og form gennem forskellige tørreprocesser. "Krystaller er som huse, de har lukkede ydervægge og nogle med vinduer," forklarer Michael Stuer. Nogle gange angiver krystallens form allerede vinduessiden. For eksempel når en blanding danner nåleformede krystaller. "De lange sider af nålen er de med lavere energi. Der sker ikke meget der. Krystalkanterne ved nålespidserne er på den anden side højenergiske. Det er der, det bliver interessant," sagde Stuer.

Til deres første store projekt har Empa-forskerne slået sig sammen med kolleger fra Paul Scherrer Institute (PSI). De undersøger den mulige metanering af CO₂ fra biogasanlæg og rensningsanlæg i en forsøgsreaktor. PSI-forskerne har allerede fået erfaringer med forskellige katalysatorer og støder gentagne gange på et problem:Katalysatoren, på hvis overflade den kemiske reaktion finder sted, svækkes over tid. Det skyldes, at svovlkomponenter i biogassen forurener overfladen, eller at katalysatoroverfladerne undergår kemisk omdannelse ved høje temperaturer.

Det er her, forskerne leder efter et gennembrud ved hjælp af entropiske krystaller; disse nedbrydes jo ikke selv ved høje temperaturer - de stabiliseres af kaos. "Vi håber på, at vores krystaller vil holde længere i processen og muligvis være mere uigennemtrængelige for svovlforurening," siger Stuer.

Tegning af et kort

Derefter er Empas krystalspecialister klar til andre udfordringer, såsom højtydende batterier, superledende keramik eller katalysatorer til biludstødning og andre kemiske produktionsprocesser. "Det er en mørk skov, vi går ind i," siger Amy Knorpp. "Men vi har et bud på, i hvilken retning noget kan blive fundet. Nu tegner vi et kort over disse systemer. Et eller andet sted derude, tror vi, er en skattekiste af indsigt gemt væk."

Deres seneste forskning er offentliggjort i CHIMIA . + Udforsk yderligere

Teori forudsiger ny type binding, der samler nanopartikelkrystaller