Entropija je vruća zbrka. Slučajnost i nered nisu baš vrline u nauci. Ipak, ispostavilo se da neuredna zbrka atoma različite veličine može bolje da stabilizuje određene nanokristala nego uredan raspored takvih elemenata. Ovi takozvani materijali sa visokom entropijom se sada željno proučavaju jer bi mogli da revolucionišu širok spektar primena, od skladištenja energije i konverzije do toplotnih izolatora ultra visokih temperatura i zaštite od elektromagnetnih smetnji.
Interdisciplinarni tim je razvio backchannel način, koristeći rastvorljivost, a ne entropiju, za prevazilaženje termodinamičkih ograničenja i sintezu nanokristala oksida visoke entropije (HEO) na nižim temperaturama — isti rezultat, ali sa manje nereda.
Novi rad tima, „Koloidna sinteza monodisperznih nanokristala spinel oksida visoke entropije“, objavljen je 17. juna u časopisu Američkog hemijskog društva. Glavni autor je doktorant Džonatan Rouel.
Oblast visokoentropijskih materijala je relativno nova, ali interesovanje je toliko intenzivno, da ima praktično više preglednih radova na tu temu nego što samih materijala sa visokom entropijom, kaže Ričard Robinson, vanredni profesor nauke o materijalima i inženjerstva u Kornelu Inženjerstvo, i dopisni autor rada.
„To je tako uzbudljiv domen jer materijali sa visokom entropijom mogu biti bolji u mnogim primenama, poput katalizatora, od onoga što je iko ikada ranije video“, rekao je on.
„Oni imaju svojstva izvan onih koje imaju drugi binarni ili ternarni materijali, zbog njihove sposobnosti da pomešaju sve različite talasne funkcije ovih mnogih katjona i stvore rešetku koja je zategnuta, ali stabilna. Problem je u tome što je tako teško pristupiti uniformi. nanokristali ovih materijala teško ih je stvoriti jer standardni uslovi jednostavno nisu povoljni za rast koji se može kontrolisati.
Do sada se stabilizacija visoke entropije u nanokristalima oslanjala na dve akcije: dodavanje mnogih elemenata i povišene temperature. Kristali se uglavnom sastoje od atoma koji se međusobno vezuju i formiraju rešetku.
Dodavanje nekoliko dodatnih atoma različite veličine i snage vezivanja dovešće do raspada dobro uređene rešetke, obično od naprezanja. Ali dodavanje pet ili više različitih tipova atoma – u ovom slučaju, pozitivno naelektrisanih jona koji se nazivaju katjoni – zajedno sa povećanjem temperature u terminu entropije stvara prave uslove za stabilizaciju energije formiranja.
„Protuintuitivno je imati materijal tako nasumično raspoređen da je zapravo stabilan, što ga čini još fascinantnijim“, rekao je Robinson.
„Uvek razmišljate o izgradnji materijala sa strukturnom i kompozicionom stabilnošću, gde sve mora polako da se spoji i bude termodinamički stabilno. Ali ispostavilo se da u ovim materijalima sa visokom entropijom ova termodinamička stabilnost dolazi od poremećaja, koji ide protiv onoga što obično nas uče tako da je to ukusna ideja sa stanovišta hemije i nauke o materijalima.
Rovell je otkrio da umesto da se oslanja na termodinamiku, može koristiti rastvorljivost za stvaranje čestica visoke entropije. U suštini, istraživači su istaložili nanokristale tokom koloidne sinteze kroz reakciju esterifikacije.
„Želeli smo da iskoristimo nisku rastvorljivost čestica metalnog oksida – ideju da se, kada se formira nanokristal oksida, neće ponovo rastvoriti“, rekao je Rovell.
„Da bismo došli do toga, bila nam je potrebna reakcija koja nam je omogućila da kontrolišemo brzinu reakcije. To nas je dovelo do ove reakcije esterifikacije, gde je reakcija uglavnom određena kiselošću metala. Pošto možemo da potražimo ove vrednosti kiselosti, možemo ciljaju specifične metale, čineći sintezu oksida visoke entropije predvidljivom i efikasnom.“
Najteži deo je, međutim, bila sinteza.
„Obično kada pokušate da napravite ove nanokristale visoke entropije, raste mnogo čestica sa mnogo različitih veličina i ništa nije uniformno“, rekao je Robinson. „Da biste razumeli fiziku, hemiju i nauku o materijalima, zaista želite da svaka pojedinačna čestica izgleda skoro identično. Džonu je trebalo mnogo vremena da usavrši reakciju da stvori ovaj monodisperzni proizvod.“
Tim je radio sa Dejvidom Mulerom, profesorom inženjeringa Semjuelom B. Ekertom, koji je koristio elektronsku mikroskopiju da potvrdi da je tim stvorio multimetal visoke entropije sa svim katjonima pomešanim zajedno u istoj rešetki, bez odvajanja elemenata. Hector D. Abruna, Emile M. Chamot profesor hemije na Koledžu umetnosti i nauka, testirao je katalitičku funkciju materijala, odnosno sposobnost da se ubrzaju hemijske reakcije, u alkalnim medijima i otkrio da ima visoke performanse i stabilnost.
Činjenica da nanočestice sadrže različite katjone sa različitim površinama može potencijalno da ih učini jakim elektrokatalizatorima za gorivne ćelije i baterije, kaže Robinson.
„Šlag na torti je činjenica da naš metod koristi ovaj backdoor put, tako da nismo ograničeni efektom stabilizacije visoke entropije. Možemo da napravimo multimetalne okside sa bilo kojim brojem katjona“, rekao je on. „Ova sinteza otvara vrata za stvaranje mnogih verzija multimetalnih materijala.“
