De säger att diamanter är för evigt, men diamanter är faktiskt en metastabil form av kol som sakta men så småningom kommer att omvandlas till grafit, en annan form av kol. Att kunna designa och syntetisera andra långlivade, termodynamiskt metastabila material kan vara en potentiell guldgruva för materialdesigners, men tills nu, forskare saknade en rationell förståelse av dem.

Nu har forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) publicerat en ny studie som, för första gången, uttryckligen kvantifierar den termodynamiska metastabilitetsskalan för nästan 30, 000 kända material. Detta banar väg för att designa och göra lovande nästa generations material för användning i allt från halvledare till läkemedel till stål.

"Det finns en stor mängd möjligheter inom metastabila material, men när experimentister går till labbet för att göra dem, processen är väldigt heuristisk - det är prov och fel, "sade Berkeley Lab -forskaren Wenhao Sun." Det vi har gjort i denna forskning är att förstå de metastabila faser som har gjorts, så att vi bättre kan förstå vilka metastabila faser som kan göras. "

Forskningen publicerades förra veckan i tidskriften Vetenskapliga framsteg i ett papper med titeln, "Den termodynamiska skalan för oorganisk kristallin metastabilitet." Sol, en postdoktor som arbetar med Gerbrand Ceder i Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, var huvudförfattaren, och Ceder var motsvarande författare.

Studien omfattade storskalig datautvinning av materialprojektet, som är en Google-liknande databas över material som använder superdatorer för att beräkna egenskaper baserade på första principer kvantmekaniska ramverk. Materialprojektet, regisserad av Berkeley Lab -forskaren Kristin Persson, som också var medförfattare till det nya papperet, har beräknade egenskaper på mer än 67, 000 kända och förutspådda material med målet att påskynda upptäckt och innovation av material.

"Materialdesign och utveckling är verkligen en långsam process men accelereras nu kraftigt av det faktum att vi kan beräkna egenskaper hos föreningar innan de tillverkas, "Ceder sa." Även om vi fortfarande inte helt förstår vilka material som kan tillverkas och hur, kartläggning av den underliggande termodynamiken är ett viktigt första steg. "

Överbrygga en klyfta i materialvetenskapens grundläggande paradigm

Metastabila material, eller material som övergår till ett annat tillstånd under en lång tid, är allestädes närvarande i både natur och teknik och har ofta överlägsna egenskaper. Choklad, till exempel, är metastabil, med en lägre smältpunkt och bättre konsistens än stabil choklad. Det finns också metastabilt stål som har både seghet och styrka, egenskaper som normalt inte finns samtidigt i de flesta stabila stål.

Forskare skulle gärna utveckla nya material med vissa egenskaper för olika applikationer-en ultrastark men ändå lätt metall för fordon, till exempel - men för att göra något nytt material med önskade egenskaper, materialforskare måste förstå hur syntetisering av materialet påverkar dess struktur, och sedan hur strukturen i sin tur påverkar dess egenskaper och prestanda. Detta, Sun förklarar, är materialvetenskapens grundläggande paradigm.

"Materialprojektet har hjälpt oss att koppla ett materials struktur till dess egenskaper, "Ceder sa." Det vi har gjort här är det första kvantitativa steget för att förstå relationer mellan syntes-struktur. "

Sun erbjuder en analogi till mat:"Om materialprojektet var en kokbok, det skulle vara som en databas med ingredienser och läckra rätter men inga recept. Att utforma recept är svårt eftersom forskare har en dålig förståelse för varför metastabila faser uppträder under "matlagning". Det finns några applikationer där ett metastabilt material är bättre, och andra där de stabila faserna är bättre. Denna studie sätter en grund för att undersöka hur man använder datorer för att förutsäga recept. "

Föreslår en ny princip för metastabilitet

Tidigare, forskare hade termodynamiska tal för mindre än 1, 000 metastabila föreningar. "Det är mycket svårt att undersöka metastabilitet över kända material eftersom det inte finns mycket data där ute när det gäller kalorimetri, som mäter termodynamiska tal, "Sa Sun.

Vad mer, metastabila material finns i många former, spänner över metalllegeringar och mineraler till keramik, salter, och mer, gör en omfattande undersökning svår. "Det vi har gjort är storskalig datamining på nästan 30, 000 observerade material för att uttryckligen mäta den termodynamiska metastabilitetsskalan, som en funktion av en mängd olika parametrar, som kemi och komposition, som oorganiska kemister och materialforskare kan använda för att bygga intuition, "Sa Sun.

Baserat på deras observationer, forskarna gick ett steg längre, för att föreslå en ny princip kallar de "restmetastabilitet" för att förklara vilka metastabila material som kan syntetiseras och vilka som inte kan. "Vi föreslår i huvudsak sökkriterier¬? Vi identifierar vilka kristallina material som kan tillverkas, och eventuellt under vilka förutsättningar de kan göras, "Sun sa." Vi hoppas att detta kan vara ett mer förfinat sätt att tänka på vilken kristallstruktur naturen väljer när ett material bildas. "