Dicono che i diamanti sono per sempre, ma i diamanti in realtà sono una forma metastabile di carbonio che lentamente ma alla fine si trasformerà in grafite, un'altra forma di carbonio. Saper progettare e sintetizzare altri longevi, i materiali termodinamicamente metastabili potrebbero essere una potenziale miniera d'oro per i progettisti di materiali, ma fino ad ora, gli scienziati non ne avevano una comprensione razionale.

Ora i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia hanno pubblicato un nuovo studio che, per la prima volta, quantifica esplicitamente la scala termodinamica della metastabilità per quasi 30, 000 materiali conosciuti. Ciò apre la strada alla progettazione e alla produzione di materiali promettenti di nuova generazione da utilizzare in tutto, dai semiconduttori ai prodotti farmaceutici, agli acciai.

"C'è una grande quantità di possibilità nello spazio dei materiali metastabili, ma quando gli sperimentali vanno al laboratorio per farli, il processo è molto euristico:è per tentativi ed errori, " ha detto il ricercatore del Berkeley Lab Wenhao Sun. "Quello che abbiamo fatto in questa ricerca è capire le fasi metastabili che sono state fatte, in modo da poter capire meglio quali fasi metastabili si possono realizzare".

La ricerca è stata pubblicata la scorsa settimana sulla rivista Progressi scientifici in un documento intitolato, "La scala termodinamica della metastabilità cristallina inorganica". Sole, un borsista post-dottorato che lavora con Gerbrand Ceder nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, era l'autore principale, e Ceder era l'autore corrispondente.

Lo studio ha coinvolto il data mining su larga scala del Materials Project, che è un database di materiali simile a Google che utilizza i supercomputer per calcolare le proprietà basate su strutture quantomeccaniche di prim'ordine. Il Progetto Materiali, diretto dalla ricercatrice del Berkeley Lab Kristin Persson, che era anche coautore del nuovo articolo, ha calcolato proprietà di più di 67, 000 materiali conosciuti e previsti con l'obiettivo di accelerare la scoperta e l'innovazione dei materiali.

"La progettazione e lo sviluppo dei materiali è davvero un processo lento, ma ora viene notevolmente accelerato dal fatto che possiamo calcolare le proprietà dei composti prima che vengano realizzati, " ha detto Ceder. "Anche se non abbiamo ancora compreso appieno quali materiali possono essere realizzati e come, mappare la termodinamica sottostante è un primo passo importante".

Colmare una lacuna nel paradigma fondamentale della scienza dei materiali

Materiali metastabili, o materiali che si trasformano in un altro stato per un lungo periodo di tempo, sono onnipresenti sia in natura che in tecnologia e spesso hanno proprietà superiori. Cioccolato, Per esempio, è metastabile, con un punto di fusione più basso e una consistenza migliore rispetto al cioccolato stabile. Esistono anche acciai metastabili che hanno sia tenacità che resistenza, proprietà che normalmente non si trovano simultaneamente nella maggior parte degli acciai stabili.

Gli scienziati vorrebbero sviluppare nuovi materiali con determinate proprietà per varie applicazioni:un metallo ultra resistente ma leggero per veicoli, per esempio, ma per creare qualsiasi nuovo materiale con le proprietà desiderate, gli scienziati dei materiali devono capire come la sintesi del materiale influenzi la sua struttura, e poi come la struttura a sua volta influenza le sue proprietà e prestazioni. Questo, Sole spiega, è il paradigma fondamentale della scienza dei materiali.

"Il Progetto Materiali ci ha aiutato a collegare la struttura di un materiale alle sue proprietà, " Ha detto Ceder. "Quello che abbiamo fatto qui è il primo passo quantitativo nella comprensione delle relazioni sintesi-struttura".

Sun offre un'analogia con il cibo:"Se il Materials Project fosse un libro di cucina, sarebbe come un database di ingredienti e piatti deliziosi ma senza ricette. Progettare ricette è difficile perché gli scienziati hanno una scarsa comprensione del motivo per cui durante la "cottura" compaiono fasi metastabili. Ci sono alcune applicazioni in cui un materiale metastabile è migliore, e altri dove le fasi stabili sono migliori. Questo studio pone le basi per indagare su come utilizzare i computer per prevedere le ricette".

Proporre un nuovo principio di metastabilità

In precedenza, gli scienziati avevano numeri termodinamici inferiori a 1, 000 composti metastabili. "È molto difficile rilevare la metastabilità su materiali noti perché non ci sono molti dati in termini di calorimetria, che sta misurando i numeri termodinamici, " ha detto Sole.

Cosa c'è di più, i materiali metastabili sono disponibili in molte forme, da leghe metalliche e minerali alla ceramica, sali, e altro ancora, rendendo difficile un sondaggio completo. "Quello che abbiamo fatto è il data mining su larga scala su quasi 30, 000 materiali osservati per misurare esplicitamente la scala termodinamica della metastabilità, in funzione di un'ampia varietà di parametri, come la chimica e la composizione, che i chimici inorganici e gli scienziati dei materiali possono utilizzare per costruire l'intuizione, " ha detto Sole.

Sulla base delle loro osservazioni, i ricercatori sono andati oltre, per proporre un nuovo principio che chiamano "metastabilità residua" per spiegare quali materiali metastabili possono essere sintetizzati e quali no. "Stiamo essenzialmente proponendo criteri di ricerca¬? stiamo identificando quali materiali cristallini possono essere realizzati, ed eventualmente a quali condizioni possono essere realizzati, ", ha detto Sun. "Speriamo che questo possa essere un modo più raffinato per pensare a quale struttura cristallina sceglie la natura quando si forma un materiale".