Un innovador método computacional revela cerámicas de alto rendimiento para entornos extremos
Un equipo de investigadores identifica cientos de representantes de una clase de materiales especialmente resistentes al calor
Un equipo internacional de investigación ha desarrollado un método para descubrir rápidamente nuevos tipos de materiales que funcionan a temperaturas extremadamente altas, de varios miles de grados centígrados. Estas cerámicas de alto rendimiento podrían algún día constituir la base de revestimientos más robustos, baterías y dispositivos resistentes a la radiación. El Dr. Rico Friedrich, jefe del grupo de investigación de la Universidad Tecnológica de Dresde (TUD) y del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), ha contribuido decisivamente a estos prometedores resultados, publicados recientemente en la revista Nature.
¿Dispositivos electrónicos que funcionan a temperaturas similares a las de la lava, de varios miles de grados Celsius? Una nueva clase de materiales de alto rendimiento pronto podría hacerlo posible. Un equipo de investigadores dirigido por científicos de materiales de la Universidad de Duke (EE.UU.) ha presentado un método computacional que puede utilizarse para desarrollar rápidamente cientos de representantes de una nueva clase de materiales tan resistentes al calor y electrónicamente estables que podrían permitir el funcionamiento de dispositivos en condiciones de calor extremo. Estos materiales son cerámicas fabricadas a partir de los llamados carbonitruros o boruros metálicos de alta entropía. Este tipo especial de compuestos forma estructuras muy desordenadas, las llamadas fases de alta entropía. La distribución aleatoria de los cationes en el material provoca un alto grado de reflexión e interferencia de las ondas, lo que da lugar a propiedades mecánicas, electrónicas y térmicas especiales.
Utilizar datos termodinámicos para hacer predicciones precisas
Rico Friedrich, de la Cátedra de Química Teórica de la TUD y del Instituto HZDR de Física de Haz de Iones e Investigación de Materiales, forma parte de este consorcio de investigación. Dirige el grupo de investigación DRESDEN-concept "Autonomous Materials Thermodynamics - AutoMaT", que se ocupa principalmente del diseño basado en datos de nanomateriales bidimensionales y de la optimización de sus propiedades electrónicas y magnéticas. Friedrich realizó algunos de los cálculos exhaustivos del nuevo método denominado "Descriptor de entalpía-entropía desordenada" (DEED).
El DEED es una fórmula que pondera con precisión las influencias energéticas y entrópicas, es decir, el desorden de un material, en la formación de estas cerámicas. Esto permite predecir la sintetizabilidad de estos sistemas complejos en muchas clases de materiales, superando con creces los planteamientos anteriores. Para optimizar su modo de acción, DEED requiere una gran cantidad de datos termodinámicos sobre materiales inorgánicos, como los disponibles en la base de datos AFLOW, que contiene alrededor de 3,5 millones de compuestos almacenados. La estabilidad de la nueva cerámica puede evaluarse de forma fiable en relación con estos datos.
Éxito de la producción en laboratorio
"En su primera demostración, DEED predijo la sintetizabilidad de 900 nuevas formulaciones de materiales de alto rendimiento, 17 de las cuales se produjeron posteriormente con éxito y se probaron en laboratorio. Las cerámicas acabadas tienen aspecto metálico y aspecto gris oscuro o negro. Se sienten como aleaciones metálicas, como el acero inoxidable, y tienen una densidad similar. Y aunque parecen metálicos, son duros y quebradizos como la cerámica convencional. Podrían constituir la base de nuevos revestimientos resistentes al desgaste y la corrosión, termoeléctricos, baterías, catalizadores y dispositivos resistentes a la radiación", explica el Dr. Friedrich.
A partir de estos resultados, Rico Friedrich y su equipo quieren investigar las propiedades de los nuevos materiales y sus interacciones en las interfaces para posibles aplicaciones electrónicas. El grupo, que forma parte de la alianza de investigación de Dresde DRESDEN-concept, supone que otros investigadores también utilizarán DEED para optimizar y probar las propiedades de los nuevos materiales cerámicos para diversas aplicaciones. Dada la increíble variedad de propiedades y aplicaciones potenciales, creen que sólo podría ser cuestión de tiempo que algunos de ellos lleguen a la producción comercial.
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Publicación original
Simon Divilov, Hagen Eckert, David Hicks, Corey Oses, Cormac Toher, Rico Friedrich, Marco Esters, Michael J. Mehl, Adam C. Zettel, Yoav Lederer, Eva Zurek, Jon-Paul Maria, Donald W. Brenner, Xiomara Campilongo, Suzana Filipović, William G. Fahrenholtz, Caillin J. Ryan, Christopher M. DeSalle, Ryan J. Crealese, Douglas E. Wolfe, Arrigo Calzolari, Stefano Curtarolo; "Disordered enthalpy–entropy descriptor for high-entropy ceramics discovery"; Nature, Volume 625, 2024-1-3
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