Naturen strävar efter kaos. Det är en trevlig, tröstande fras när ännu en kaffekopp har vält över datorns tangentbord och du föreställer dig att du skulle kunna önska den sockersöta, mjölkiga bryggan tillbaka i kaffekoppen – där den hade varit bara några sekunder innan. Men att önska går inte. För naturen strävar som sagt efter kaos.

Forskare har myntat termen entropi för denna effekt - ett mått på oordning. I de flesta fall, om störningen ökar, går processer spontant och vägen tillbaka till den tidigare rådande ordningen blockeras. Se den utspillda kaffekoppen. Till och med värmekraftverk, som genererar ett enormt moln av ånga ovanför sitt kyltorn från en prydlig vedhög eller en hög med stenkol, drivs av entropi. Störningen ökar dramatiskt i många förbränningsprocesser – och människor drar nytta av detta och utnyttjar lite energi i form av elektricitet från den pågående processen för sina egna syften.

Kan entropi stabilisera någonting?

Kristaller anses vara den rena motsatsen till oordning. I en kristallstruktur är alla element i gittret prydligt sorterade tätt intill varandra i minsta möjliga volym. Detta gör tanken att kristaller kan stabiliseras av entropins kraft och därmed skapa en ny klass av material desto mer bisarr.

Entropistabiliserade material är fortfarande ett ungt forskningsfält. Det började 2004 med så kallade högentropilegeringar, blandningar av fem eller flera grundämnen som kan blandas ihop. Om blandningen lyckas och alla grundämnen är homogent fördelade framträder ibland speciella egenskaper som inte kommer från de enskilda ingredienserna utan från deras blandning. Forskare kallar dessa "cocktaileffekter."

Även i värmen råder kaoset

Sedan 2015 har det varit känt att även keramiska kristaller kan stabiliseras av "oordningens kraft". På så sätt passar även överdimensionerade och minimala element in i kristallen, vilket normalt skulle förstöra den. Empa-forskargruppen har redan lyckats infoga nio olika atomer i en kristall. Fördelen är att de förblir stabila även vid höga temperaturer — eftersom att "omordna" dem skulle leda till större ordning. Den naturliga strävan efter maximal oordning stabiliserar alltså den ovanliga kristallstrukturen – och därmed hela materialet.

"Med upp till fyra komponenter i kristallen är allt fortfarande normalt; med fem komponenter och fler förändras världen", förklarar Michael Stuer, forskare på Empas avdelning för högpresterande keramik. Sedan den luxemburgska forskaren började på Empa 2019 har han arbetat med forskningsfältet högentropikristaller. "Denna klass av material öppnar ett brett utbud av nya möjligheter för oss", säger Stuer. "Vi kan stabilisera kristaller som annars skulle sönderfalla på grund av inre spänningar. Och vi kan skapa mycket aktiva kristallytor som aldrig har funnits tidigare och leta efter intressanta cocktaileffekter."

Tillsammans med sin kollega Amy Knorpp ger Stuer sig nu ut i det okända. De två är specialister på tillverkning av fint kristallpulver och de har kollegor på Empa för röntgen- och ytanalys för att exakt karakterisera proverna de producerar. Med deras hjälp vill Michael Stuer nu ligga i framkant på den internationella scenen. "Antalet publikationer om ämnet högentropikristaller ökar väldigt kraftigt just nu. Och vi vill vara där redan från början", säger forskaren.

Kunskapens öar

Det som behövs nu är ett systematiskt arbetssätt, expertis och en god dos uthållighet. Var börjar du? Vilken riktning tar man? "För tillfället finns det ingen sammanhängande expertis, ingen fullständig översikt över detta nya forskningsfält", säger Stuer. "Olika forskargrupper runt om i världen arbetar med begränsade projekt. Så individuella öar av kunskap växer fram som kommer att behöva växa tillsammans under de närmaste åren."

Michel Stuer och Amy Knorpp fokuserar på katalytiskt aktiva material. Den kemiska reaktionen de är intresserade av innebär att man kombinerar CO₂ och väte för att bilda metan. Syftet är att förvandla en växthusgas till ett hållbart, lagringsbart bränsle. "Vi vet att CO₂ molekyler adsorberar särskilt bra på vissa ytor och att den önskade reaktionen då sker lättare och snabbare", säger Amy Knorpp. "Nu försöker vi producera entropiska kristaller på vars ytor det finns så högaktiva regioner."

Kemisk monteringslinje

För att göra framsteg snabbare har forskarna byggt en speciell syntesanordning med hjälp av Empas verkstad, där många olika kemiska blandningar kan testas efter varandra, som på ett löpande band. I "Segmented Flow Tubular Reactor" rinner små bubblor genom ett rör där respektive reaktion äger rum. I slutet töms bubblorna och pulvret de innehåller kan bearbetas vidare.

"Rörflödesreaktorn" har en stor fördel för oss:alla bubblorna är lika stora, vilket är anledningen till att vi alltid har idealiska och konsekventa gränsförhållanden för våra synteser", förklarar Stuer. "Om vi ​​behöver större mängder av en särskilt lovande blandning, producerar vi helt enkelt flera bubblor med samma blandning efter varandra."

Fönstren på höger sida

Prekursorpulvret omvandlas sedan till fina kristaller av önskad storlek och form genom olika torkningsprocesser. "Kristaller är som hus, de har stängda ytterväggar och en del med fönster", förklarar Michael Stuer. Ibland visar formen på kristallen redan fönstersidan. Till exempel när en blandning bildar nålformade kristaller. "Nålens långsidor är de som har lägre energi. Det händer inte mycket där. Kristallkanterna vid nålarnas spetsar är å andra sidan högenergiska. Det är där det blir intressant", sa Stuer.

För sitt första stora projekt har Empa-forskarna slagit sig ihop med kollegor från Paul Scherrer Institute (PSI). De undersöker möjlig metanering av CO₂ från biogasanläggningar och avloppsreningsverk i en experimentreaktor. PSI-forskarna har redan fått erfarenhet av olika katalysatorer och stöter upprepade gånger på ett problem:Katalysatorn, på vars yta den kemiska reaktionen äger rum, försvagas med tiden. Detta beror på att svavelkomponenter i biogasen förorenar ytan eller att katalysatorytorna genomgår kemisk omvandling vid höga temperaturer.

Det är här som forskarna letar efter ett genombrott med hjälp av entropiska kristaller; trots allt går dessa inte sönder ens vid höga temperaturer – de stabiliseras av kaos. "Vi hoppas att våra kristaller kommer att hålla längre i processen och möjligen vara mer ogenomträngliga för svavelföroreningar", säger Stuer.

Rita en karta

Därefter är Empas kristallspecialister redo för andra utmaningar, såsom högpresterande batterier, supraledande keramik eller katalysatorer för bilavgaser och andra kemiska produktionsprocesser. "Det är en mörk skog vi går in i", säger Amy Knorpp. "Men vi har en gissning i vilken riktning något kan hittas. Nu ritar vi en karta över dessa system. Någonstans där ute tror vi är en skattkista av insikter gömd."

Deras senaste forskning publiceras i CHIMIA . + Utforska vidare

Teorin förutspår ny typ av bindning som sätter ihop nanopartikelkristaller