Nanoribbons met hoge entropie bieden een kosteneffectieve oplossing voor harde omgevingen

Een SMU-geleid onderzoeksteam heeft een meer kosteneffectief, energiezuinig materiaal ontwikkeld genaamd high-entropie oxide (HEO) nanoribbons die warmte, corrosie en andere harde omstandigheden beter kunnen weerstaan ​​dan huidige materialen.

Deze heo nanoribbons –uitgelaten in het dagboek Wetenschap— Kan vooral nuttig zijn in velden zoals ruimtevaart, energie en elektronica, waarbij materialen goed moeten presteren in extreme omstandigheden.

En in tegenstelling tot materialen met een hoge entropie die in het verleden zijn gemaakt, kunnen de nanoribbons die SMU’s Amin Salehi-Khojin en zijn team ontwikkelden 3D-geprinten of spray-gecoat op kamertemperatuur voor productiecomponenten of coatingoppervlakken. Dit maakt ze energie-efficiënter en kosteneffectiever dan traditionele materialen met een hoog entropie, die meestal bestaan ​​als bulkstructuren en gieten op hoge temperatuur vereisen.

Wat zijn high-entropie oxide (HEO) nanoribbons?

Nanoribbons zijn extreem dunne, smalle stukken materiaal, meestal slechts een paar nanometer (een miljardste van een meter) dik en zich uitstrekt van tientallen tot honderden nanometer in breedte.

HEO nanoribbons behoren tot een speciaal type van deze lintachtige strips die high-entropiematerialen of legeringen worden genoemd, die een hoge mate van wanorde hebben in hun atoomstructuur.

Zie het als het maken van een fruitsalade. In plaats van vooral te vertrouwen op druiven met slechts een paar bananen of appels, gebruikt u gelijke hoeveelheden appels, bananen, druiven, sinaasappels en bessen – het creëren van een meer diverse en uitgebalanceerde fruitsalade.

Materialen met hoge entropie volgen hetzelfde principe.

“De meeste materialen worden voornamelijk gemaakt van een of twee elementen, maar materialen met hoge entropie combineren vijf of meer elementen in ongeveer gelijke verhoudingen”, legt Salehi-Khojin uit. “Deze gelijkmatige verdeling leidt tot een zeer ongeordende atoomstructuur – welke wetenschappers ‘hoge entropie’ noemen – die de sterkte, weerstand van het materiaal tegen warmte en het vermogen om stress of corrosie te weerstaan ​​kan verbeteren.”

Materialen van de toekomst

Wat Salehi-Khojin, met hulp van onderzoekers van de Universiteit van Illinois Chicago, Stockholm University en University of Washington, voor het eerst heeft gedaan, is uitzoeken hoe deze laagdimensionale high-entropie materialen voor kosteneffectieve en energie-efficiënte productie kan maken.

Wetenschapsstudie Co-auteur Ilias Papailias, een onderzoeksassistent-professor aan de afdeling Werktuigbouwkunde van Smu Lyle, zei dat een nieuwe synthesemethode is ontwikkeld om de morfologie van materialen met hoge entropie nauwkeurig te beheersen.

“Ten eerste werd een zwavelelement gebruikt om de monsters in tweedimensionale (2D) structuren te etsen, gevolgd door een oxidatieproces om de 2D-structuren om te zetten in eendimensionaal (1D),” zei Papailias.

“Deze techniek biedt meer dan twee orden van grootte -controle op de breedte en de grootte van de nanoribbons geproduceerd door deze aanpak,” voegde Papailias eraan toe. “Er is ontdekt dat tijdens het oxidatieproces de nucleatie van 1D-linten optreedt, waardoor ze uiteindelijk worden omgezet in volledige 1D-systemen bij uitgebreide oxidatie, zoals bevestigd door een breed scala aan in-situ experimenten.”

De Wetenschap Studie toonde aan dat de nanoribbons gecreëerd door Salehi-Khojin-1D-heo-hun structuur hadden opgenomen bij uitzonderlijk hoge temperaturen (tot 1.000 ° C). Hetzelfde bleek waar te zijn onder verhoogde druk (tot 12 gigapascals) en langdurige blootstelling aan harde zuur- en basischemische omgevingen (pH = 2,3 en 13 gedurende 7 dagen).

Hoewel meer testen nodig zijn voordat dit materiaal praktisch kan worden gebruikt, zei Salehi-Khojin dat de hardheid en veerkracht van 1D-Heo het een ideale kandidaat zouden maken voor toepassingen die hittebestendigheid, druktolerantie en duurzaamheid onder hoge mechanische belastingen vereisen.

“Deze nieuwe methode kan een revolutie teweegbrengen in het materiaalwetenschappelijk veld door nieuwe entropiestructuren te introduceren,” zei Salehi-Khojin, die begon met onderzoek naar deze nanoribbons bij de UIC.