Люди изготавливают металлические сплавы уже тысячи лет. Представить себе процесс их создания довольно просто: раскалённые докрасна расплавленные металлы смешивают, разливают и придают им форму в жаркой мастерской или на заводе. Этот подход до сих пор отлично работает для традиционных металлов, которые мы видим каждый день, например, для стали.
Однако для создания продвинутых металлов с особыми химическими и механическими свойствами, которые учёные исследуют для использования в энергетических технологиях, таких как долговечные батареи и двигатели, работающие в экстремальных температурах для аэрокосмических аппаратов, требуется более утончённый подход.
Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) обнаружили новый способ производства этих материалов, называемых высокоэнтропийными сплавами (ВЭС), при температурах, близких к комнатной. Их метод, описанный в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature, также даёт пользователям гораздо больше контроля над кристаллической структурой и общей морфологией сплава по сравнению с существующими методами, открывая дверь для новой парадигмы изготовления ВЭС по индивидуальному заказу.
Открытие высокоэнтропийных сплавов
Впервые открытые около 20 лет назад, эти материалы вызвали большой интерес благодаря своей рекордной прочности и жёсткости, что даёт им множество потенциальных применений в машиностроении. ВЭС также могут служить мощными катализаторами, повышая эффективность и долговечность батарей и топливных элементов, а также снижая нашу зависимость от импортных редких минералов.
Уникальные свойства ВЭС обусловлены их сбалансированным составом различных элементов, создающим внутреннюю кристаллическую структуру с большей энтропией, то есть более хаотичную. Хотя эта дезорганизация является ключом к их функционированию, инженерам всё равно необходимо иметь возможность настраивать материалы в соответствии с определёнными спецификациями и придавать им различные формы.
Новый метод производства
Существующие методы производства ВЭС включают нагрев элементов до высоких температур, чтобы атомы имели много кинетической энергии, смешивание различных элементов в один кусок, а затем быстрое снижение температуры различными методами. Считается, что резкое изменение температуры необходимо для закрепления состояния внутренней дезорганизации от энергичных атомов.
Команда из Berkeley Lab достигла того же результата с высокой энтропией при гораздо более низких и постоянных температурах (от 25 до 80 градусов Цельсия) путём смешивания элементов, которые будут составлять ВЭС, с металлом галлием в жидкой форме. Элементы вводятся в водном растворе в форме хлоридов. Когда кислая жидкость встречается с жидким галлием при приятно тёплой или горячей температуре, элементы очень быстро теряют свои атомы хлора и смешиваются вместе, а затем затвердевают в ВЭС.
Согласно руководителю группы Хаймэй Чжэн, старшему учёному в отделе материаловедения и адъюнкт-профессору в Калифорнийском университете в Беркли, невероятная скорость реакции и смешивания на границе раздела жидкость-жидкость — это то, что удерживает столь желаемую энтропию.
Новое явление было обнаружено первым автором Цюбо Чжаном, постдокторантом в группе Чжэн, когда он проводил эксперименты с помощью платформы жидкоклеточной просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) группы, технологии, которую они усовершенствовали, которая позволяет учёным изучать электронные и химические реакции, происходящие в жидких средах в режиме реального времени на атомном уровне.
«Поскольку наша новая углеродная плёнка имеет такое высокое пространственное и временное разрешение, мы смогли наблюдать очень быстрый переход за десятую долю секунды от наноразмерного аморфного жидкого металла с различными элементами к маленькому кристаллу», — сказал Чжан.
Группа Чжэн в настоящее время сотрудничает с Кристин Перссон, директором многопрофильного проекта по материалам, старшим учёным в лаборатории Беркли, и Дэниелом М. Теллепом, заслуженным профессором инженерных наук в Калифорнийском университете в Беркли, чтобы ускорить разработку новых ВЭС с помощью искусственного интеллекта. Эти прорывы помогут перевести ВЭС из многообещающих экспериментальных применений в реальные продукты.
Команда также изучает, как они могли бы использовать эту технику для извлечения ценных редких минералов из сточных вод, образующихся при добыче полезных ископаемых и в геотермальных скважинах. В настоящее время не существует экономически эффективных методов извлечения этих элементов из воды, а это означает, что внутренние источники коммерчески важных металлов, таких как кобальт, пропадают впустую. Однако более масштабная версия процесса с использованием галлия может выборочно изолировать эти элементы из воды и концентрировать их в сплаве, который затем может быть дополнительно переработан клиентами, такими как производители батарей.