Beregningsmetoden opdager hundredvis af ny keramik til ekstreme miljøer

Hvis du har en dybtliggende, nagende bekymring over at tabe din telefon i smeltet lava, er du heldig. Et forskerhold ledet af materialeforskere ved Duke University har udviklet en metode til hurtigt at opdage en ny klasse af materialer med varme- og elektroniske tolerancer så robuste, at de kunne gøre det muligt for enheder at fungere ved lava-lignende temperaturer over flere tusinde grader Fahrenheit.

Hårdere end stål og stabile i kemisk korrosive miljøer, kan disse materialer også danne grundlag for nye slid- og korrosionsbestandige belægninger, termoelektriske stoffer, batterier, katalysatorer og strålingsbestandige enheder.

Opskrifterne på disse materialer - keramik fremstillet ved hjælp af overgangsmetaller carbonitrider eller borider - blev opdaget gennem en ny beregningsmetode kaldet Disordered Enthalpy-Entropy Descriptor (DEED). I sin første demonstration forudsagde programmet syntetisering af 900 nye formuleringer af højtydende materialer, hvoraf 17 derefter blev testet og med succes produceret i laboratorier.

Resultaterne vises i tidsskriftet Nature og inkluderer bidrag fra samarbejdspartnere ved Penn State University, Missouri University of Science and Technology, North Carolina State University og State University of New York i Buffalo.

"Evnen til hurtigt at opdage syntetiserbare sammensætninger vil give forskere mulighed for at fokusere på at optimere deres industriforstyrrende egenskaber," siger Stefano Curtarolo, Edmund T. Pratt Jr. School Distinguished Professor of Mechanical Engineering and Materials Science ved Duke.

Curtarolo-gruppen opretholder Duke Automatic-FLOW for Materials Database (AFLOW) - et enormt reservoir af materialeegenskabsdata forbundet med mange onlineværktøjer til materialeoptimering. Denne rigdom af information gør det muligt for algoritmer nøjagtigt at forudsige egenskaberne af uudforskede blandinger uden at skulle forsøge at simulere kompleksiteten af ​​atomær dynamik eller fremstille dem i laboratoriet.

I de sidste mange år har Curtarolo-gruppen arbejdet på at udvikle forudsigelsesevner for "højentropi" materialer, der opnår øget stabilitet fra en kaotisk blanding af atomer i stedet for udelukkende at stole på den ordnede atomstruktur af konventionelle materialer. I 2018 opdagede de højentropi carbider, som var et enklere scenarie i særlige tilfælde.

"De højentropi-carbider havde alle en relativt ensartet mængde entalpi, så vi kunne ignorere en del af ligningen," sagde Curtarolo. "Men for at forudsige nye keramiske opskrifter med andre overgangsmetaller, var vi nødt til at tage fat på entalpien."

For bedre at forstå begreberne entropi og entalpi i denne applikation, tænk på en 10-årig, der forsøger at bygge et hundehus ud af en kæmpe bunke af lego. Selv med begrænsede typer byggeklodser ville der være mange mulige designresultater.

Enkelt sagt er entalpi et mål for, hvor robust hvert design er, og entropi et mål for antallet af mulige designs, der alle har samme styrke. Den første fremmer ordnede konfigurationer, som dem, der kan findes i instruktionshæfter. Sidstnævnte fanger det uundgåelige kaos, der ville opstå, når barnet lægger mere tid og energi i den stadig mere forvirrende byggeindsats. Begge er et mål for mængden af ​​energi og varme, der ender med at blive absorberet i det endelige produkt.

"For hurtigt at kvantificere både entalpi og entropi, var vi nødt til at beregne energien indeholdt i de hundredtusindvis af forskellige kombinationer af ingredienser, som vi potentielt kunne skabe i stedet for den keramik, vi leder efter," sagde Curtarolo. "Det var en kolossal virksomhed."

Udover at forudsige nye opskrifter på stabil uordnet keramik, hjælper DEED også med at lede deres videre analyse for at opdage deres iboende egenskaber. For at finde den optimale keramik til forskellige applikationer, bliver forskere nødt til at forfine disse beregninger og fysisk teste dem i laboratorier.

DEED er specifikt skræddersyet til en produktionsmetode kaldet varmpresset sintring. Dette indebærer at tage pulveriserede former af de indgående forbindelser og opvarme dem i et vakuum til så højt som 4000 grader Fahrenheit, mens der påføres tryk i tider, der kan være så lange som et par timer. Mellem alle forberedelses-, reaktions- og afkølingstider tager hele processen mere end otte timer.

"Det sidste trin i syntesen, kaldet gnistplasmasintring, er en fremvoksende metode inden for materialevidenskab, som er almindelig i forskningslaboratorier," sagde William Fahrenholtz, kuratorernes udmærkede professor i keramisk teknik ved Missouri S&T.

Den færdige keramik har et metallisk udseende og ser mørkegrå eller sort ud. De føles som metallegeringer såsom rustfrit stål og har en lignende tæthed, men de er meget mørkere i udseende. Og selvom de ser metalliske ud, er de hårde og skøre som konventionel keramik.

Fremover forventer gruppen, at andre forskere begynder at bruge DEED til at syntetisere og teste egenskaberne af nye keramiske materialer til forskellige anvendelser. I betragtning af den utrolige række af potentielle egenskaber og anvendelser, mener de, at det kun er et spørgsmål om tid, før nogle af dem går i kommerciel produktion.

"Spark plasma sintring eller feltassisteret sintringsteknologi (FAST) er ikke en almindelig teknik i industrien endnu," tilføjede Doug Wolfe, professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab og associeret vicepræsident for forskning ved Penn State. "Men nuværende keramikproducenter kunne vende om til fremstilling af disse materialer ved at foretage små justeringer af eksisterende processer og faciliteter."

Flere oplysninger: Stefano Curtarolo, forstyrret entalpi-entropi-deskriptor for opdagelse af højentropi keramik, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06786-y. www.nature.com/articles/s41586-023-06786-y

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Duke University