Dicen que los diamantes son para siempre, pero de hecho son una forma metaestable de carbono que se transformará lenta pero eventualmente en grafito, otra forma de carbono. Ser capaz de diseñar y sintetizar otros materiales metaestables termodinámicamente de larga duración podría ser un potencialmina de oro para diseñadores de materiales, pero hasta ahora, los científicos carecían de una comprensión racional de ellos.
Ahora los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab han publicado un nuevo estudio que, por primera vez, cuantifica explícitamente la escala termodinámica de la metaestabilidad de casi 30,000 materiales conocidos. Esto allana el camino para diseñar y fabricarmateriales prometedores de próxima generación para usar en todo, desde semiconductores hasta productos farmacéuticos y aceros.
"Existe una gran cantidad de posibilidades en el espacio de los materiales metaestables, pero cuando los experimentadores van al laboratorio para hacerlos, el proceso es muy heurístico: es prueba y error", dijo el investigador de Berkeley Lab Wenhao Sun. "Lo que hemos hecho en esta investigación es comprender las fases metaestables que se han realizado, para que podamos comprender mejor qué fases metaestables se pueden hacer ".
La investigación fue publicada la semana pasada en la revista Avances científicos en un artículo titulado "La Escala Termodinámica de la Metaestabilidad Cristalina Inorgánica". Sun, un becario postdoctoral que trabajaba con Gerbrand Ceder en la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio Berkeley, fue el autor principal, y Ceder fue el autor correspondiente.
El estudio incluyó la extracción de datos a gran escala del Proyecto de Materiales, que es una base de datos de materiales similar a Google que utiliza supercomputadoras para calcular propiedades basadas en marcos de mecánica cuántica de primeros principios. El Proyecto de Materiales, dirigido por el investigador Kristin de Berkeley LabPersson, quien también fue coautor del nuevo artículo, ha calculado las propiedades de más de 67,000 materiales conocidos y previstos con el objetivo de acelerar el descubrimiento y la innovación de materiales.
"El diseño y desarrollo de materiales es realmente un proceso lento, pero ahora se está acelerando en gran medida por el hecho de que podemos calcular las propiedades de los compuestos antes de que se fabriquen", dijo Ceder. "Aunque todavía no entendemos completamente qué materiales pueden serhecho y cómo, mapear la termodinámica subyacente es un primer paso importante "
Cerrando una brecha en el paradigma fundamental de la ciencia de los materiales
Los materiales metaestables, o materiales que se transforman a otro estado durante un largo período de tiempo, son omnipresentes tanto en naturaleza como en tecnología y a menudo tienen propiedades superiores. El chocolate, por ejemplo, es metaestable, con un punto de fusión más bajo y mejor textura que establechocolate. También hay aceros metaestables que tienen dureza y resistencia, propiedades que normalmente no se encuentran simultáneamente en la mayoría de los aceros estables.
A los científicos les encantaría desarrollar nuevos materiales con ciertas propiedades para diversas aplicaciones, por ejemplo, un metal ultra fuerte pero liviano para vehículos, pero para hacer cualquier material nuevo con las propiedades deseadas, los científicos de materiales deben entender cómo influye la síntesis del materialsu estructura, y luego cómo la estructura a su vez afecta sus propiedades y rendimiento. Esto, explica Sun, es el paradigma fundamental de la ciencia de los materiales.
"El Proyecto de Materiales nos ha ayudado a vincular la estructura de un material con sus propiedades", dijo Ceder. "Lo que hemos hecho aquí es el primer paso cuantitativo para comprender las relaciones de estructura de síntesis".
Sun ofrece una analogía con la comida: "Si el Proyecto de Materiales fuera un libro de cocina, sería como una base de datos de ingredientes y platos deliciosos, pero sin recetas. Diseñar recetas es difícil porque los científicos no entienden por qué aparecen las fases metaestables durante'cocinar'. Hay algunas aplicaciones donde un material metaestable es mejor, y otras donde las fases estables son mejores. Este estudio establece una base para investigar cómo usar las computadoras para predecir recetas ".
Proponiendo un nuevo principio de metaestabilidad
Anteriormente, los científicos tenían números termodinámicos para menos de 1,000 compuestos metaestables. "Es muy difícil evaluar la metaestabilidad sobre materiales conocidos porque no hay mucha información disponible en términos de calorimetría, que mide los números termodinámicos", dijo Sun.
Lo que es más, los materiales metaestables vienen en muchas formas, abarcando aleaciones de metales y minerales a cerámica, sales y más, lo que dificulta una encuesta exhaustiva ". Lo que hemos hecho es la extracción de datos a gran escala en casi 30,000 materiales observados para explícitamentemide la escala termodinámica de la metaestabilidad, en función de una amplia variedad de parámetros, como la química y la composición, que los químicos inorgánicos y los materiales que los científicos pueden usar para desarrollar la intuición ", dijo Sun.
Con base en sus observaciones, los investigadores dieron un paso más allá, para proponer un nuevo principio que denominan "metaestabilidad remanente" para explicar qué materiales metaestables se pueden sintetizar y cuáles no. "¿Estamos esencialmente proponiendo criterios de búsqueda?"identificando qué materiales cristalinos se pueden hacer, y posiblemente bajo qué condiciones se pueden hacer", dijo Sun. "Esperamos que esta sea una forma más refinada de pensar sobre qué estructura cristalina elige la naturaleza cuando se forma un material".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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