Gobierna el caos para progresar la cerámica de inscripción entropía

La naturaleza se esfuerza por el caos. Esa es una oración agradable y reconfortante cuando otra taza de café se ha volcado sobre el teclado de la computadora e imaginas que puedes desear que la infusión lechosa y azucarada regrese a la taza de café, amoldonado donde estaba segundos ayer. Pero desear no funcionará. Porque como dije, la naturaleza se esfuerza por el caos.

Los científicos han acuñado el término entropía para este impresión: una medida del desorden. Si la interrupción aumenta, los procesos se ejecutan espontáneamente en la mayoría de los casos y se bloquea el camino de regreso al orden prevaleciente anteriormente. Ver la taza de café derramada. Incluso las plantas combinadas de calor y energía, que generan una enorme estrato de vapor a partir de un montón organizado de madera o carbón sobre su torre de refrigeración, funcionan impulsadas por la entropía. En muchos procesos de combustión, el desorden aumenta dramáticamente, y las personas aprovechan esto aprovechando un poco de energía en forma de electricidad para sus propios fines del proceso en curso.

¿Puede la entropía estabilizar poco?

Los cristales son vistos como todo lo contrario del desorden. en uno estructura cristalinatodos los medios de la cuadrícula se ordenan cuidadosamente juntos en el beocio comba posible. Esto hace que la idea de que cristales puede ser estabilizado por el poder de la entropía, creando una nueva clase de materiales que son aún más extraños.

Los materiales estabilizados por entropía son todavía un campo de investigación nuevo. Comenzó en 2004 con las llamadas aleaciones de inscripción entropía, mezclas de cinco o más medios que se pueden mezclar entre sí. Si la mezcla tiene éxito y todos los medios se distribuyen homogéneamente, a veces resultan propiedades especiales que no provienen de los ingredientes individuales, sino de su mezcla. Los científicos llaman a esto el “impresión cóctel”.

El caos reina incluso en el calor

Se sabe desde 2015 que los cristales cerámicos todavía pueden estabilizarse mediante el «poder del desorden». De esta modo, los medios diminutos y de gran tamaño que normalmente lo destruirían todavía encajan en el cristal. El equipo de investigación de Empa ya ha acabado incorporar nueve átomos diferentes en un cristal. La delantera es que permanecen estables incluso a altas temperaturas, porque un «reordenamiento» conduciría a un decano orden. El esfuerzo natural por el mayor desorden estabiliza así la estructura cristalina inusual y, por lo tanto, todo el material.

“Con hasta cuatro componentes en el cristal todo sigue frecuente, a partir de cinco componentes el mundo cambia”, explica Michael Stuer, investigador del unidad de Cerámica Vanguardia de Empa. Desde que el investigador, que creció en Luxemburgo, llegó a Empa en 2019, ha estado trabajando en el campo de investigación de los cristales de inscripción entropía. «Esta clase de material abre muchas posibilidades nuevas para nosotros», dice Stuer. «Podemos estabilizar cristales que de otro modo se desintegrarían adecuado a tensiones internas. Y podemos crear superficies de cristal en extremo activas que nunca ayer se habían gastado y apañarse bienes de cóctel interesantes”.

Cercano con su colega Amy Knorpp, Stuer ahora se dirige en torno a lo desconocido. Los dos son especialistas en la producción de polvo de cristal fino y tienen colegas en Empa para el investigación de superficies y rayos X para caracterizar con precisión las muestras que producen. Con su ayuda, Michael Stuer ahora quiere estar en lo más suspensión de la suceso internacional. “El número de publicaciones sobre el tema de los cristales de inscripción entropía está aumentando rápidamente en la ahora. Y queremos estar ahí desde el principio”, dice el investigador.

islas de conocimiento

Lo que se requiere ahora es un enfoque sistemático, conocimiento especializado y mucha perseverancia. donde empiezas ¿Qué dirección tomas? «Actualmente no existe una experiencia coherente, ni una visión común de esta nueva campo de acción de investigación», dice Stuer. “Varios grupos de investigación de todo el mundo están trabajando en proyectos limitados. Esto crea islas individuales de conocimiento que tendrán que crecer juntas en los próximos primaveras”.

Michel Stuer y Amy Knorpp se centran en materiales catalíticamente activos. La reacción química que le interesa implica la formación de CO₂ e hidrógeno a metano. El objetivo es convertir un gas de impresión invernadero en un combustible sostenible y almacenable. «Sabemos que CO₂ Las moléculas se adsorben particularmente adecuadamente en ciertas superficies y la reacción deseada se desarrolla más dócil y rápidamente», dice Amy Knorpp. «Ahora estamos tratando de producir cristales entrópicos con regiones en extremo activas en sus superficies».

dirección de montaje químico

Para avanzar más rápido, los investigadores construyeron un dispositivo de síntesis específico con la ayuda del taller Empa, en el que se pueden probar muchas mezclas químicas diferentes una tras otra, como en una dirección de montaje. En el «Reactor Tubular de Flujo Segmentado», pequeñas burbujas recorren un tubo en el que tiene punto la respectiva reacción. Al final, las burbujas se vacían y el polvo contenido puede procesarse más.

«El ‘reactor de flujo tubular’ tiene una gran delantera para nosotros: todas las burbujas son del mismo tamaño, por lo que siempre tenemos condiciones de contorno ideales y constantes para nuestras síntesis», explica Stuer. «Si necesitamos cantidades más grandes de un compuesto particularmente prometedor, simplemente producimos varias burbujas con el mismo compuesto una tras otra».

Las ventanas de la derecha

El polvo precursor luego se transforma en cristales finos del tamaño y forma deseados a través de varios procesos de secado. «Los cristales son como casas, tienen paredes exteriores cerradas y algunos tienen ventanas», explica Michael Stuer. A veces, la forma del cristal ya indica el costado de la ventana. Por ejemplo, cuando una mezcla forma cristales en forma de jeringuilla. “Los lados largos de la jeringuilla son los de beocio energía. No pasa mucho allí. Los bordes de cristal en las puntas de las agujas, por otro costado, son muy energéticos. Ahí es donde se pone interesante», dice Stuer.

Para su primer gran esquema, los investigadores de Empa se han asociado con colegas del Instituto Paul Scherrer (PSI). Investigan la posible metanización del CO₂ de plantas de biogás y plantas de tratamiento de aguas residuales en un reactor empírico. Los investigadores de PSI ya han adquirido experiencia con varios catalizadores y se enfrentan repetidamente a un problema: el catalizador en cuya superficie tiene punto la reacción química se debilita con el tiempo. Esto se debe al hecho de que los componentes de azufre en el biogás contaminan la superficie o Catalizador Las superficies se transforman químicamente a altas temperaturas.

Aquí los investigadores están buscando un gran avance con cristales entrópicos; posteriormente de todo, estos no se desintegran ni siquiera a altas temperaturas: el caos los estabiliza. «Esperamos que, al hacerlo, nuestros cristales duren más y posiblemente sean más resistentes a la contaminación por azufre», dice Stuer.

dibujar un atlas

Posteriormente de eso, los especialistas en cristal de Empa están listos para otros desafíos, como baterías de suspensión rendimiento, cerámicas superconductoras o catalizadores para gases de escape de automóviles y otros procesos de producción química. «Estamos entrando en un bosque umbrátil», dice Amy Knorpp. “Pero tenemos una conjetura sobre en qué dirección se puede encontrar poco. Ahora dibujemos un atlas de estos sistemas.

Sus últimos resultados de investigación se publican en CHIMÍA.