Los científicos encuentran un método de puerta trasera para crear materiales de alta entropía a temperaturas más bajas

A menudo se piensa que la entropía es caos, el tipo de aleatoriedad que los científicos suelen evitar. Pero este trastorno en realidad puede resultar útil.

Una mezcla de átomos de diferentes tamaños, conocidos como materiales de alta entropía, puede estabilizar ciertos nanocristales mejor que una estructura perfectamente ordenada.

Estos materiales tienen el potencial de revolucionar muchos campos, desde el almacenamiento y la conversión de energía hasta el aislamiento térmico y el blindaje electromagnético.

Un equipo interdisciplinario encontró una forma inteligente de crear estos nanocristales de óxido de alta entropía (HEO) a temperaturas más bajas utilizando la solubilidad en lugar de depender de la entropía.

Este método supera las limitaciones termodinámicas habituales, lo que hace que el proceso sea menos complicado y más eficiente.

La investigación del equipo, titulada «Síntesis coloidal de nanocristales monodispersos de óxido de espinela de alta entropía», se publicó en el Journal of the American Chemical Society.

El autor principal es el estudiante de doctorado Jonathan Rowell.

Los materiales de alta entropía son un campo relativamente nuevo, pero están generando mucho entusiasmo. Hay casi más artículos de revisión sobre el tema que materiales reales de alta entropía, dice Richard Robinson, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en Cornell Engineering y autor correspondiente del artículo.

Robinson explica que los materiales de alta entropía pueden superar a los materiales existentes en muchas aplicaciones, como los catalizadores. Sus propiedades únicas provienen de la mezcla de las funciones de onda de varios cationes (iones cargados positivamente) para crear una red estable pero tensa. El desafío, sin embargo, era crear nanocristales de tamaño uniforme de estos materiales porque las condiciones estándar no son favorables para un crecimiento controlado.

Anteriormente, la creación de nanocristales de alta entropía implicaba agregar muchos elementos y utilizar altas temperaturas. Normalmente, agregar algunos átomos adicionales a una red cristalina hace que se desmorone debido a la tensión. Pero agregar cinco o más tipos de cationes y aumentar la temperatura ayuda a estabilizar la estructura. Esta estabilización a través del desorden es contradictoria pero fascinante, dice Robinson.

Rowell descubrió que podía utilizar la solubilidad en lugar de la termodinámica para crear partículas de alta entropía. El equipo precipitó los nanocristales durante la síntesis coloidal mediante una reacción de esterificación. Este método aprovecha la baja solubilidad de las partículas de óxido metálico, lo que significa que una vez que se forma un nanocristal de óxido, no se vuelve a disolver.

Los investigadores necesitaban una reacción que permitiera un control preciso sobre la velocidad de reacción. Usaron una reacción de esterificación donde la velocidad está determinada por la acidez del metal. Al buscar valores de acidez, pueden apuntar a metales específicos, haciendo que la síntesis de óxidos de alta entropía sea predecible y eficiente.

La síntesis fue la parte más desafiante. Normalmente, la fabricación de nanocristales de alta entropía da como resultado partículas de varios tamaños, pero el equipo de Robinson quería uniformidad. Fue necesario mucho refinamiento para obtener un producto monodisperso: partículas que sean casi idénticas.

El equipo colaboró ​​con David Muller, profesor de ingeniería, quien utilizó microscopía electrónica para confirmar que habían creado un multimetal de alta entropía con todos los cationes mezclados en la misma red. El profesor de química Héctor D. Abruña probó la función catalítica del material en medios alcalinos y encontró que era de alto rendimiento y estable.

Robinson señala que la variedad de cationes con diferentes superficies en las nanopartículas puede convertirlas en potentes electrocatalizadores para pilas de combustible y baterías. El verdadero avance es que su método no se basa únicamente en una estabilización de alta entropía. Pueden crear óxidos multimetálicos con cualquier número de cationes, abriendo la puerta a muchos materiales nuevos.

En esta investigación participaron los coautores Muller, Abruña, los estudiantes de doctorado Minsoo Kang y Dasol Yoon, y los graduados de maestría Kevin Jiang y Yafu Jia.

Fuente: Universidad de Cornell.