La lega è un trucco magico utilizzato per produrre nuovi materiali mescolando sinergicamente almeno due elementi metallici per formare una soluzione solida. I recenti sviluppi della scienza hanno trovato grandi applicazioni dei materiali in lega nella catalisi, per le quali vengono utilizzate particelle bi- o tri-metalliche su scala nanometrica per accelerare la velocità delle reazioni chimiche. Ma l'applicazione delle leghe come catalizzatori è limitata dalla cosiddetta "miscibilità, " poiché nessuna combinazione arbitraria di elementi può formare una lega omogenea, né per una robusta messa a punto del rapporto tra le due componenti.

Segnalato in Comunicazioni sulla natura questa settimana, un gruppo di ricerca guidato dal ricercatore della Johns Hopkins University Chao Wang, lavorando con i collaboratori dell'Università del Maryland, Università dell'Illinois a Chicago, e Università di Pittsburgh, scoperto un nuovo metodo per superare questa limitazione. In questo lavoro, mescolano Co e Mo, due elementi raramente miscibili, ma quale combinazione è ritenuta importante per catalizzare reazioni chimiche rilevanti per l'energia, come la decomposizione dell'ammoniaca. Invece di mescolarli direttamente insieme, Chao e il suo team hanno aggiunto altri tre ingredienti, Fe, Ni e Cu, che sono tutti metalli di transizione abbondanti in terra. Quando i cinque elementi si uniscono in una particella di dimensioni nanometriche, si forma un'unica soluzione solida omogenea che consente l'incorporazione di atomi di Co e Mo a vari rapporti. Gli scienziati chiamano questo gruppo di materiali "leghe ad alta entropia".

"Il trucco dietro è aumentare il disordine, casualità del modo in cui gli atomi di metallo si allineano nei cristalli di lega, " spiega Wang, un assistente professore presso il Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare presso la Johns Hopkins Whiting School of Engineering.

La quantità che descrive questo fenomeno è chiamata in fisica "entropia". Le nanoparticelle di lega quinaria create da Wang e dal suo team risultano possedere un'entropia maggiore rispetto a quella convenzionale, leghe bi- o tri-metalliche relativamente semplici. In questa condizione unica, le caratteristiche atomiche dei diversi elementi sono rese e diventano più facili da mescolare.

Si ritiene che le nanoparticelle di lega ad alta entropia abbiano un grande potenziale per le applicazioni catalitiche.

"Ora che possiamo creare nanoparticelle in lega di elementi che prima si credeva fossero immiscibili, siamo in grado di creare nuovi, catalizzatori senza precedenti con proprietà di adsorbimento superficiale ottimali per reazioni mirate, " detto da Pengfei Xie, un borsista post-dottorato nel laboratorio di Wang, e primo autore del Comunicazioni sulla natura carta.

Gli scienziati hanno dimostrato che le nanoparticelle in lega quinaria Co-Mo-Fe-Ni-Cu sono eccellenti catalizzatori per rompere il legame chimico tra atomi di azoto e idrogeno nell'ammoniaca, un modo importante per rilasciare idrogeno da questa sostanza chimica liquida per alimentare le celle a combustibile e alimentare i futuri veicoli elettrici.