Une équipe de recherche dirigée par des scientifiques des matériaux de l#39Université Duke a développé une méthode pour découvrir rapidement une nouvelle classe de matériaux avec des tolérances thermiques et électroniques si robustes qu#39elles pourraient permettre aux appareils de fonctionner à des températures semblables à celles de la lave, supérieures à plusieurs milliers de degrés Fahrenheit.
Furthermore durs que l#39acier et stables dans des environnements chimiquement corrosifs, ces matériaux pourraient également constituer la foundation de nouveaux revêtements, thermoélectriques, batteries, catalyseurs et dispositifs résistants à la corrosion, résistants à l#39usure et à la corrosion.
Les recettes de ces matériaux – des céramiques fabriquées à partir de carbonitrures ou de borures de métaux de changeover – ont été découvertes grâce à une nouvelle méthode informatique appelée Descripteur d#39enthalpie-entropie désordonnée (DEED). Lors de sa première démonstration, le programme prévoyait la synthétisabilité de 900 nouvelles formulations de matériaux hautes performances, dont 17 ont ensuite été testées et produites avec succès en laboratoire.
Les résultats apparaissent en ligne le 3 janvier dans la revue Nature et incluent les contributions de collaborateurs de la Penn Condition University, de l#39Université des sciences et technologies du Missouri, de l#39Université d#39État de Caroline du Nord et de l#39Université d#39État de New York à Buffalo.
« La capacité de découvrir rapidement des compositions synthétisables permettra aux chercheurs de se concentrer sur l#39optimisation de leurs propriétés révolutionnaires pour l#39industrie », a déclaré Stefano Curtarolo, professeur émérite de génie mécanique et de science des matériaux à l#39école Edmund T. Pratt Jr. de Duke.
Le groupe Curtarolo gère la base de données Duke Computerized-Move for Elements (AFLOW), un énorme réservoir de données sur les propriétés des matériaux connecté à de nombreux outils en ligne pour l#39optimisation des matériaux. Cette richesse d’informations permet aux algorithmes de prédire avec précision les propriétés de mélanges inexplorés sans avoir à tenter de simuler les complexités de la dynamique atomique ou de les réaliser en laboratoire.
Au cours des dernières années, le groupe Curtarolo a travaillé au développement de pouvoirs prédictifs pour les matériaux à « haute entropie » qui tirent une stabilité améliorée d#39un mélange chaotique d#39atomes plutôt que de s#39appuyer uniquement sur la framework atomique ordonnée des matériaux conventionnels. En 2018, ils ont découvert des carbures à haute entropie, qui constituaient un scénario moreover uncomplicated et moreover particulier.
« Les carbures à haute entropie avaient tous une quantité d#39enthalpie relativement uniforme, nous pouvions donc ignorer une partie de l#39équation », a déclaré Curtarolo. « Mais pour prédire de nouvelles recettes céramiques avec d#39autres métaux de transition, nous avons dû nous intéresser à l#39enthalpie. »
Pour mieux comprendre les principles d#39entropie et d#39enthalpie dans cette application, pensez à un enfant de 10 ans essayant de construire une niche à partir d#39un tas géant de Legos. Même avec des forms limités d’éléments de base, il y aurait de nombreux résultats de conception possibles.
En termes simples, l’enthalpie est une mesure de la robustesse de chaque conception, et l’entropie une mesure du nombre de conceptions possibles ayant toutes une résistance similaire. Le premier favorise les configurations ordonnées, comme celles que l’on peut trouver dans les livrets d’instructions. Ce dernier seize le chaos inévitable qui se produirait à mesure que l’enfant consacrerait moreover de temps et d’énergie à un effort de building de additionally en in addition déroutant. Les deux mesurent la quantité d’énergie et de chaleur qui finit par être absorbée par le produit remaining.
« Pour quantifier rapidement l#39enthalpie et l#39entropie, nous avons dû calculer l#39énergie contenue dans les centaines de milliers de combinaisons différentes d#39ingrédients que nous pourrions potentiellement créer à la place des céramiques que nous recherchons », a déclaré Curtarolo. « C#39était une entreprise gigantesque. »
En in addition de prédire de nouvelles recettes pour des céramiques désordonnées stables, DEED aide également à orienter leur analyse plus approfondie pour découvrir leurs propriétés inhérentes. Pour trouver les céramiques optimales pour diverses programs, les chercheurs devront affiner ces calculs et les tester physiquement en laboratoire.
DEED est spécifiquement adapté à une méthode de output appelée frittage à chaud. Cela implique de prendre des formes en poudre des composés constitutifs et de les chauffer sous vide jusqu#39à 4 000 degrés Fahrenheit tout en appliquant une pression pendant des périodes pouvant aller jusqu#39à quelques heures. Entre tous les temps de préparation, de réaction et de refroidissement, l’ensemble du processus prend moreover de huit heures.
« La dernière étape de la synthèse, appelée frittage par plasma étincelant, est une méthode émergente en science des matériaux qui est courante dans les laboratoires de recherche », a déclaré William Fahrenholtz, professeur émérite des conservateurs de génie céramique au Missouri ST.
Les céramiques finies ont un element métallique et sont gris foncé ou noires. Ils ressemblent à des alliages métalliques tels que l’acier inoxydable et ont une densité similaire, mais leur apparence est beaucoup plus foncée. Et même si elles semblent métalliques, elles sont dures et cassantes comme la céramique conventionnelle.
À l#39avenir, le groupe s#39go to à ce que d#39autres chercheurs commencent à utiliser DEED pour synthétiser et tester les propriétés de nouveaux matériaux céramiques pour diverses apps. Compte tenu de l’incroyable éventail de propriétés et d’utilisations potentielles, ils estiment que ce n’est qu’une concern de temps avant que certains d’entre eux n’entrent en manufacturing commerciale.
« Le frittage par plasma étincelant ou la technologie de frittage assisté sur web page (Fast) n#39est pas encore une procedure courante dans l#39industrie », a ajouté Doug Wolfe, professeur de science et d#39ingénierie des matériaux et vice-président associé pour la recherche à Penn Condition. « Cependant, les fabricants de céramiques actuels pourraient se tourner vers la fabrication de ces matériaux en apportant de petits ajustements aux processus et installations existants. »
Cette recherche a été principalement financée par une subvention de 7,5 millions de bucks sur cinq ans dans le cadre du concours MURI (Multidgraduate College Analysis Initiative) du ministère américain de la Défense dirigé par Curtarolo (N00014-21-1-2515, N00014-23-1-2615) et du Programme de modernisation du calcul haute performance du ministère de la Défense (HPC-Frontier).
