Se hai una preoccupazione profonda e fastidiosa di far cadere il telefono nella lava fusa, sei fortunato. Un gruppo di ricerca guidato da scienziati dei materiali della Duke University ha sviluppato un metodo per scoprire rapidamente una nuova classe di materiali con tolleranze termiche ed elettroniche così robuste da consentire ai dispositivi di funzionare a temperature simili a quelle della lava superiori a diverse migliaia di gradi Fahrenheit.
Più duri dell'acciaio e stabili in ambienti chimicamente corrosivi, questi materiali potrebbero anche costituire la base di nuovi rivestimenti resistenti all'usura e alla corrosione, materiali termoelettrici, batterie, catalizzatori e dispositivi resistenti alle radiazioni.
Le ricette per questi materiali – ceramiche realizzate utilizzando carbonitruri o boruri di metalli di transizione – sono state scoperte attraverso un nuovo metodo computazionale chiamato Descrittore di entalpia-entropia disordinata (DEED). Nella sua prima dimostrazione, il programma ha previsto la sintetizzabilità di 900 nuove formulazioni di materiali ad alte prestazioni, 17 dei quali sono stati poi testati e prodotti con successo in laboratorio.
I risultati appaiono nella rivista Nature e includono contributi di collaboratori della Penn State University, della Missouri University of Science and Technology, della North Carolina State University e della State University of New York a Buffalo.
"La capacità di scoprire rapidamente composizioni sintetizzabili consentirà ai ricercatori di concentrarsi sull'ottimizzazione delle loro proprietà rivoluzionarie per il settore", ha affermato Stefano Curtarolo, professore emerito di ingegneria meccanica e scienza dei materiali della Edmund T. Pratt Jr. School presso la Duke.
Il gruppo Curtarolo gestisce il Duke Automatic-FLOW for Materials Database (AFLOW), un enorme serbatoio di dati sulle proprietà dei materiali collegato a molti strumenti online per l'ottimizzazione dei materiali. Questa ricchezza di informazioni consente agli algoritmi di prevedere con precisione le proprietà di miscele inesplorate senza dover tentare di simulare le complessità della dinamica atomica o di realizzarle in laboratorio.
Negli ultimi anni, il gruppo di Curtarolo ha lavorato per sviluppare poteri predittivi per materiali “ad alta entropia” che traggono maggiore stabilità da una miscela caotica di atomi piuttosto che fare affidamento esclusivamente sulla struttura atomica ordinata dei materiali convenzionali. Nel 2018 hanno scoperto i carburi ad alta entropia, che rappresentavano uno scenario più semplice e speciale.
"I carburi ad alta entropia avevano tutti una quantità di entalpia relativamente uniforme, quindi abbiamo potuto ignorare parte dell'equazione", ha detto Curtarolo. "Ma per prevedere nuove ricette ceramiche con altri metalli di transizione, abbiamo dovuto affrontare l'entalpia."
Per comprendere meglio i concetti di entropia ed entalpia in questa applicazione, pensa a un bambino di 10 anni che cerca di costruire una cuccia con una gigantesca pila di Lego. Anche con tipi limitati di elementi costitutivi, ci sarebbero molti possibili risultati di progettazione.
In termini semplici, l’entalpia è una misura della robustezza di ciascun progetto e l’entropia una misura del numero di possibili progetti che hanno tutti una resistenza simile. La prima favorisce configurazioni ordinate, come quelle che si potrebbero trovare nei libretti di istruzioni. Quest'ultimo cattura l'inevitabile caos che si verificherebbe se il bambino dedicasse più tempo ed energia allo sforzo di costruzione sempre più confuso. Entrambi sono una misura della quantità di energia e calore che finiscono per essere assorbiti nel prodotto finale.
"Per quantificare rapidamente sia l'entalpia che l'entropia, abbiamo dovuto calcolare l'energia contenuta nelle centinaia di migliaia di varie combinazioni di ingredienti che potremmo potenzialmente creare al posto della ceramica che stiamo cercando", ha detto Curtarolo. "È stata un'impresa colossale."
Oltre a prevedere nuove ricette per ceramiche stabili e disordinate, DEED aiuta anche a indirizzare le loro ulteriori analisi per scoprirne le proprietà intrinseche. Per trovare la ceramica ottimale per varie applicazioni, i ricercatori dovranno perfezionare questi calcoli e testarli fisicamente in laboratorio.
DEED è specificamente adattato a un metodo di produzione chiamato sinterizzazione a caldo. Ciò comporta l'assunzione di forme in polvere dei composti costituenti e il loro riscaldamento sotto vuoto fino a 4000 gradi Fahrenheit applicando pressione per tempi che possono durare fino a poche ore. Tra tutti i tempi di preparazione, reazione e raffreddamento, l'intero processo richiede più di otto ore.
"La fase finale della sintesi, chiamata sinterizzazione al plasma a scintilla, è un metodo emergente nella scienza dei materiali, comune nei laboratori di ricerca", ha affermato William Fahrenholtz, illustre professore di ingegneria ceramica dei curatori presso Missouri S&T.
Le ceramiche finite hanno un aspetto metallico e appaiono di colore grigio scuro o nero. Sembrano leghe metalliche come l'acciaio inossidabile e hanno una densità simile, ma hanno un aspetto molto più scuro. E anche se sembrano metallici, sono duri e fragili come la ceramica convenzionale.
Andando avanti, il gruppo si aspetta che altri ricercatori inizino a utilizzare DEED per sintetizzare e testare le proprietà di nuovi materiali ceramici per varie applicazioni. Data l'incredibile gamma di potenziali proprietà e usi, credono che sia solo questione di tempo prima che alcuni di essi entrino nella produzione commerciale.
"La sinterizzazione al plasma a scintilla o la tecnologia di sinterizzazione assistita sul campo (FAST) non è ancora una tecnica comune nel settore", ha aggiunto Doug Wolfe, professore di scienza e ingegneria dei materiali e vicepresidente associato per la ricerca presso la Penn State. "Tuttavia, gli attuali produttori di ceramica potrebbero orientarsi verso la produzione di questi materiali apportando piccole modifiche ai processi e alle strutture esistenti."
Ulteriori informazioni: Stefano Curtarolo, Descrittore entalpico-entropico disordinato per la scoperta di ceramiche ad alta entropia, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06786-y. www.nature.com/articles/s41586-023-06786-y
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dalla Duke University
