Энтропия — это настоящий бардак. Случайность и беспорядок не совсем добродетели в науке. Однако оказывается, что небрежная смесь атомов разного размера может лучше стабилизировать определенные нанокристаллы, чем аккуратное расположение таких элементов. Эти так называемые материалы с высокой энтропией сейчас активно изучаются, поскольку они могут произвести революцию в широком спектре применений: от хранения и преобразования энергии до сверхвысокотемпературных теплоизоляторов и защиты от электромагнитных помех.

Междисциплинарная группа разработала метод обратного канала, использующий растворимость, а не энтропию, для преодоления термодинамических ограничений и синтеза нанокристаллов высокоэнтропийного оксида (ВЭО) при более низких температурах — тот же результат, но с меньшим беспорядком.

Новая статья команды « Коллоидный синтез монодисперсных нанокристаллов оксида шпинели с высокой энтропией » опубликована 17 июня в Журнале Американского химического общества . Ведущий автор — докторант Джонатан Роуэлл.

По словам Ричарда Робинсона, доцента кафедры материаловедения и инженерии в Корнелле, область материалов с высокой энтропией относительно нова, но интерес настолько велик, что обзорных статей по этой теме практически больше, чем самих материалов с высокой энтропией. Engineering и автор-корреспондент статьи.

«Это такая захватывающая область, потому что материалы с высокой энтропией могут быть лучше во многих приложениях, например, в катализаторах, чем те, которые кто-либо когда-либо видел», — сказал он.

«Они обладают свойствами, превосходящими свойства других бинарных или тройных материалов, благодаря их способности смешивать все различные волновые функции многих катионов и создавать решетку, которая является напряженной, но стабильной. Проблема в том, что получить однородную структуру очень сложно. нанокристаллы этих материалов такого размера, их сложно создать, потому что стандартные условия просто не благоприятствуют контролируемому росту».

До сих пор высокоэнтропийная стабилизация нанокристаллов основывалась на двух действиях: добавлении большого количества элементов и повышении температуры. Кристаллы обычно состоят из атомов, которые связаны друг с другом и образуют решетку.

Добавление нескольких дополнительных атомов разного размера и силы связи приведет к разрушению хорошо упорядоченной решетки, обычно из-за напряжения. Но добавление пяти или более различных типов атомов — в данном случае положительно заряженных ионов, называемых катионами — наряду с увеличением температуры в энтропийном термине создает как раз правильные условия для стабилизации энергии образования.

«Нелогично иметь настолько рандомизированный материал, что он на самом деле стабилен, что делает его еще более интересным», — сказал Робинсон.

«Вы всегда думаете о создании материала со структурной и композиционной стабильностью, где все должно медленно собираться вместе и быть термодинамически стабильным. Но оказывается, что в этих материалах с высокой энтропией эта термодинамическая стабильность возникает из-за беспорядка, который противоречит тому, что нас обычно учат. Так что это замечательная идея с точки зрения химии и материаловедения».

Роуэлл обнаружил, что вместо того, чтобы полагаться на термодинамику, он может использовать растворимость для создания частиц с высокой энтропией. По сути, исследователи осаждали нанокристаллы во время коллоидного синтеза посредством реакции этерификации.

«Мы хотели воспользоваться низкой растворимостью частиц оксидов металлов — идеей о том, что однажды сформировавшись оксидный нанокристалл, он не растворяется обратно», — сказал Роуэлл.

«Чтобы добиться этого, нам нужна была реакция, которая позволила бы нам контролировать скорость реакции. Это привело нас к реакции этерификации, где реакция в основном определяется кислотностью металла. Поскольку мы можем найти эти значения кислотности, мы можем нацелены на конкретные металлы, что делает синтез высокоэнтропийных оксидов предсказуемым и эффективным».

Однако самым сложным был синтез.

«Обычно, когда вы пытаетесь создать эти высокоэнтропийные нанокристаллы, вы выращиваете множество частиц разных размеров, и нет ничего однородного», — сказал Робинсон. «Чтобы понять физику, химию и материаловедение, вам действительно нужно, чтобы каждая частица выглядела почти одинаково. Джону потребовалось много времени, чтобы усовершенствовать реакцию для создания этого монодисперсного продукта».

Команда работала с Дэвидом Мюллером, профессором инженерных наук Сэмюэля Б. Эккерта, который использовал электронную микроскопию , чтобы подтвердить, что команда создала высокоэнтропийный мультиметалл, в котором все катионы смешаны в одной решетке без разделения каких-либо элементов. Эктор Д. Абрунья, профессор химии имени Эмиля М. Шамо в Колледже искусств и наук, проверил каталитическую функцию материала, то есть способность ускорять химические реакции, в щелочной среде и обнаружил, что он высокоэффективен и стабилен.

По словам Робинсона, тот факт, что наночастицы содержат множество катионов с разной поверхностью, потенциально может сделать их сильными электрокатализаторами для топливных элементов и батарей.

«Вишенкой на торте является тот факт, что наш метод использует этот черный ход, поэтому мы не ограничены эффектом высокоэнтропийной стабилизации . Мы можем создавать оксиды мультиметаллов с любым количеством катионов», — сказал он. «Этот синтез открывает возможности для создания множества версий мультиметаллических материалов».

Источник: Метод бэкдора создает высокоэнтропийный материал при более низких температурах
© Hi-Tech Новости