Ontwikkeling van metastabiele fase geavanceerde materiaalsynthesetechnologie

Net als de wijdverbreide belangstelling voor grafiet en diamant, is er ook een groeiende belangstelling voor metastabiele fasen, die andere fysische eigenschappen hebben dan die van stabiele fasen. Werkwijzen voor het vervaardigen van metastabiele fasematerialen zijn echter zeer beperkt. Nieuwe bevindingen zijn gepubliceerd in het laatste nummer van Natuur over de ontwikkeling van een nieuwe metastabiele-fasesynthesemethode, die de fysische eigenschappen van verschillende materialen drastisch kan verbeteren.

Een onderzoeksteam onder leiding van Dr. Chun, Dong Won van de Clean Energy Research Division, Korea Institute of Science and Technology (KIST; President: Yoon, Seok Jin), kondigde aan dat ze met succes een nieuw geavanceerd metastabiele-fase palladiumhydride (PdHx ) materiaal. Bovendien identificeerden ze het groeimechanisme.

Een materiaal met een metastabiele fase heeft meer thermodynamische energie dan die in de stabiele fase, maar vereist aanzienlijke energie om de stabiele fase te bereiken, in tegenstelling tot de meeste andere materialen, die in de stabiele fase met lage thermodynamische energie voorkomen. Het onderzoeksteam synthetiseerde rechtstreeks een metaalhydride door een materiaal te kweken dat waterstof kan opslaan onder een geschikte waterstofatmosfeer, zonder waterstof in een metaal te dispergeren. Ze ontwikkelden met name met succes een metaalhydride in metastabiele fase met een nieuwe kristalstructuur. Verder bevestigden ze dat het ontwikkelde materiaal in metastabiele fase een goede thermische stabiliteit had en tweemaal de waterstofopslagcapaciteit van een materiaal met een stabiele fase.

Om de theoretische basis en het wetenschappelijk bewijs voor deze bevindingen op te helderen, gebruikte het onderzoeksteam atomaire elektronentomografie, die 3D-beelden van 2D-elektronenmicroscoopbeelden reconstrueert voor kristallen van nanometerformaat in een metaalhydraat, voor analyse. Als resultaat toonden ze aan dat de metastabiele fase thermodynamisch stabiel was, identificeerden ze de 3D-structuur van kristallen met metastabiele fase en suggereerden ze een nieuw groeimechanisme voor nanodeeltjes genaamd ‘meertrapskristallisatie’. Deze studie is van belang omdat het een nieuw paradigma onthult in materiaalontwikkeling op basis van metastabiele fasen, wanneer het meeste onderzoek is gericht op het ontwikkelen van materialen met een stabiele fase.

Dr. Chun zei: “Deze onderzoeksresultaten bieden een belangrijk proces om brontechnologie te verkrijgen bij de ontwikkeling van geavanceerde legeringsmaterialen die lichtgewicht atomen bevatten. Een aanvullend onderzoek zal naar verwachting een nieuw paradigma onthullen in de ontwikkeling van op metastabiele fase gebaseerde milieuvriendelijke energiematerialen die waterstof en lithium kunnen opslaan.Net als de Czochralski (CZ)-methode, die wordt gebruikt om monokristallijn silicium te produceren, een belangrijk materiaal in de huidige halfgeleiderindustrie, zal het een brontechnologie zijn met een groot potentieel die zal bijdragen aan geavanceerde materiële ontwikkeling.”