Om du har en djupt rotad, tjatande oro över att tappa telefonen i smält lava, har du tur. En forskargrupp ledd av materialforskare vid Duke University har utvecklat en metod för att snabbt upptäcka en ny klass av material med värme- och elektroniska toleranser så robusta att de skulle kunna göra det möjligt för enheter att fungera vid lavaliknande temperaturer över flera tusen grader Fahrenheit.

Hårdare än stål och stabila i kemiskt korrosiva miljöer, kan dessa material också utgöra grunden för nya slitage- och korrosionsbeständiga beläggningar, termoelektrik, batterier, katalysatorer och strålningsbeständiga enheter.

Recepten för dessa material - keramer gjorda med övergångsmetaller karbonitrider eller borider - upptäcktes genom en ny beräkningsmetod som kallas Disordered Enthalpy-Entropy Descriptor (DEED). I sin första demonstration förutspådde programmet syntetiserbarheten av 900 nya formuleringar av högpresterande material, av vilka 17 sedan testades och framgångsrikt producerades i laboratorier.

Resultaten visas i tidskriften Nature och inkluderar bidrag från medarbetare vid Penn State University, Missouri University of Science and Technology, North Carolina State University och State University of New York i Buffalo.

"Förmågan att snabbt upptäcka syntetiserbara kompositioner kommer att tillåta forskare att fokusera på att optimera sina industristörande egenskaper", säger Stefano Curtarolo, Edmund T. Pratt Jr. School Distinguished Professor of Mechanical Engineering and Materials Science vid Duke.

Curtarolo-gruppen upprätthåller Duke Automatic-FLOW for Materials Database (AFLOW) – en enorm reservoar av materialegenskapersdata kopplade till många onlineverktyg för materialoptimering. Denna mängd information gör det möjligt för algoritmer att exakt förutsäga egenskaperna hos outforskade blandningar utan att behöva försöka simulera komplexiteten i atomdynamik eller göra dem i laboratoriet.

Under de senaste åren har Curtarolo-gruppen arbetat med att utveckla prediktiva krafter för "högentropi" material som får ökad stabilitet från en kaotisk blandning av atomer snarare än att enbart förlita sig på den ordnade atomstrukturen hos konventionella material. 2018 upptäckte de högentropiska karbider, vilket var ett enklare scenarie i specialfall.

"De högentropiska karbiderna hade alla en relativt enhetlig mängd entalpi, så vi kunde ignorera en del av ekvationen," sa Curtarolo. "Men för att förutsäga nya keramiska recept med andra övergångsmetaller var vi tvungna att ta itu med entalpin."

För att bättre förstå begreppen entropi och entalpi i denna applikation, tänk på en 10-åring som försöker bygga en hundkoja av en gigantisk hög med lego. Även med begränsade typer av byggstenar skulle det finnas många möjliga designresultat.

Enkelt uttryckt är entalpi ett mått på hur robust varje design är, och entropi ett mått på antalet möjliga design som alla har liknande styrka. Den första främjar ordnade konfigurationer, som de som kan finnas i instruktionshäften. Det senare fångar det oundvikliga kaoset som skulle uppstå när barnet lägger mer tid och energi på det allt mer förvirrande byggarbetet. Båda är ett mått på mängden energi och värme som till slut absorberas i slutprodukten.

"För att snabbt kvantifiera både entalpi och entropi var vi tvungna att beräkna energin som finns i de hundratusentals olika kombinationer av ingredienser som vi potentiellt skulle kunna skapa istället för den keramik vi letar efter," sa Curtarolo. "Det var ett mastodont åtagande."

Förutom att förutsäga nya recept för stabil oordnad keramik, hjälper DEED också att styra deras vidare analys för att upptäcka deras inneboende egenskaper. För att hitta den optimala keramiken för olika applikationer måste forskare förfina dessa beräkningar och fysiskt testa dem i laboratorier.

DEED är speciellt anpassat till en produktionsmetod som kallas varmpressad sintring. Detta innebär att man tar pulverform av de ingående föreningarna och värmer dem i ett vakuum till så högt som 4000 grader Fahrenheit samtidigt som man applicerar tryck under tider som kan vara så långa som några timmar. Mellan alla berednings-, reaktions- och nedkylningstider tar hela processen mer än åtta timmar.

"Det sista steget i syntesen, som kallas gnistplasmasintring, är en framväxande metod inom materialvetenskap som är vanlig i forskningslaboratorier", säger William Fahrenholtz, Curators' Distinguished Professor of Ceramic Engineering vid Missouri S&T.

Den färdiga keramiken har ett metalliskt utseende och ser mörkgrå eller svart ut. De känns som metallegeringar som rostfritt stål och har en liknande densitet, men de är mycket mörkare till utseendet. Och även om de verkar metalliska är de hårda och spröda som konventionell keramik.

Framöver förväntar sig gruppen att andra forskare ska börja använda DEED för att syntetisera och testa egenskaperna hos nya keramiska material för olika applikationer. Med tanke på det otroliga utbudet av potentiella egenskaper och användningsområden tror de att det bara är en tidsfråga innan några av dem går in i kommersiell produktion.

"Sparkplasmasintring eller fältassisterad sintringsteknik (FAST) är inte en vanlig teknik i branschen ännu," tillade Doug Wolfe, professor i materialvetenskap och ingenjörskonst och biträdande vicepresident för forskning vid Penn State. "Men nuvarande keramiktillverkare skulle kunna vända sig till att tillverka dessa material genom att göra små justeringar av befintliga processer och anläggningar."

Mer information: Stefano Curtarolo, Disordered enthalpy–entropy descriptor for high-entropy ceramic discovery, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06786-y. www.nature.com/articles/s41586-023-06786-y

Journalinformation: Natur

Tillhandahålls av Duke University