Теперь исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) опубликовали новое исследование, в котором впервые явно количественно определяется термодинамическая шкала метастабильности для почти 30 000 известных материалов. Это открывает путь к разработке и производству многообещающих материалов следующего поколения для использования во всем: от полупроводников до фармацевтики и стали.
«В пространстве метастабильных материалов есть много возможностей, но когда экспериментаторы идут в лабораторию, чтобы сделать их, процесс очень эвристический — это метод проб и ошибок», — сказал исследователь лаборатории Беркли Венхао Сун. «Что мы сделали в этом исследовании, так это понять, какие метастабильные фазы были созданы, чтобы мы могли лучше понять, какие метастабильные фазы могут быть созданы."
Исследование было опубликовано на прошлой неделе в журнале Science Advances в статье под названием «Термодинамическая шкала неорганической кристаллической метастабильности."Сан, научный сотрудник, работавший с Гербрандом Седером в отделе материаловедения лаборатории Беркли, был ведущим автором, а Седер был автором-корреспондентом.
Исследование включало крупномасштабный анализ данных в рамках проекта Materials Project, который представляет собой базу данных материалов в стиле Google, в которой используются суперкомпьютеры для расчета свойств на основе первых принципов квантово-механических структур.
В рамках проекта «Материалы» под руководством исследователя лаборатории Беркли Кристин Перссон, которая также была соавтором новой статьи, были рассчитаны свойства более 67 000 известных и предсказанных материалов с целью ускорения открытия и инноваций в материалах.
«Дизайн и разработка материалов — действительно медленный процесс, но сейчас он значительно ускоряется тем фактом, что мы можем вычислять свойства соединений до того, как они будут изготовлены», — сказал Седер. «Хотя мы до сих пор не до конца понимаем, какие материалы можно изготавливать и как, отображение лежащих в их основе термодинамических характеристик — важный первый шаг."
Устранение разрыва в фундаментальной парадигме материаловедения
Метастабильные материалы или материалы, которые переходят в другое состояние в течение длительного периода времени, широко распространены как в природе, так и в технологиях и часто обладают превосходными свойствами. Шоколад, например, метастабильный, с более низкой температурой плавления и лучшей текстурой, чем стабильный шоколад.
Существуют также метастабильные стали, которые обладают как ударной вязкостью, так и прочностью — свойствами, которые обычно не обнаруживаются одновременно в большинстве стабильных сталей.
Ученые хотели бы разработать новые материалы с определенными свойствами для различных применений — например, сверхпрочный, но легкий металл для автомобилей, — но чтобы создать новый материал с желаемыми свойствами, материаловеды должны понимать, как синтез материала влияет на его структуру. , а затем как структура, в свою очередь, влияет на ее свойства и производительность. Это, как объясняет Сан, фундаментальная парадигма материаловедения.
«Проект материалов помог нам связать структуру материала с его свойствами», — сказал Седер. "То, что мы здесь сделали, является первым количественным шагом в понимании взаимосвязи синтеза и структуры."
Sun предлагает аналогию с едой: «Если бы проект Materials Project был поваренной книгой, он был бы подобен базе данных ингредиентов и вкусных блюд, но не рецептов.
Разработка рецептов затруднена, потому что ученые плохо понимают, почему во время приготовления появляются метастабильные фазы.«В некоторых случаях лучше использовать метастабильный материал, а в других — стабильные фазы. Это исследование закладывает основу для изучения того, как использовать компьютеры для прогнозирования рецептов."
Предлагая новый принцип метастабильности
Раньше у ученых были термодинамические числа менее 1000 метастабильных соединений. «Очень сложно исследовать метастабильность известных материалов, потому что не так много данных с точки зрения калориметрии, которая измеряет термодинамические числа», — сказал Сан.
Более того, метастабильные материалы бывают разных форм, от металлических сплавов и минералов до керамики, солей и т. Д., Что затрудняет всестороннее исследование. «То, что мы сделали, — это крупномасштабный интеллектуальный анализ данных почти 30 000 наблюдаемых материалов с целью явного измерения термодинамического масштаба метастабильности в зависимости от широкого спектра параметров, таких как химия и состав, которые химики-неорганики и материаловеды могут использовать для развивать интуицию ", — сказал Сун.
Основываясь на своих наблюдениях, исследователи пошли еще дальше, предложив новый принцип, который они называют «остаточной метастабильностью», чтобы объяснить, какие метастабильные материалы могут быть синтезированы, а какие — нет. "По сути, мы предлагаем критерии поиска¬?мы определяем, какие кристаллические материалы могут быть изготовлены, и, возможно, при каких условиях они могут быть изготовлены », — сказал Сан. "Мы надеемся, что это может быть более точным способом подумать о том, какую кристаллическую структуру выбирает природа, когда формируется материал."