Новое понимание метастабильности открывает путь для следующего поколения материалов

Новое понимание метастабильности открывает путь для следующего поколения материалов

Новый интеллектуальный анализ данных используется для количественного определения термодинамических показателей для почти 30 тысяч материалов.

Ученые химики говорят, что алмазы вечны из-за своей прочной структуры, но алмазы на самом деле представляют собой метастабильную форму углерода, которая хоть и медленно, но, в конце концов, превратится в графит – другую форму углерода. Будучи в состоянии проектировать и синтезировать другие долгоживущие, термодинамически метастабильные материалы, которые возможно оказались бы потенциальным золотым рудником, ученые до сих пор не обладают рациональным представлением о них.

Ученые опубликовали новое исследование, проведенное в лаборатории Berkeley Lab, которое в первый раз в явном виде показывает количественную шкалу термодинамической метастабильности почти 30 тысяч известных материалов. Это открывает путь для разработки и создания перспективных материалов нового поколения, которые можно будет использовать практически во всем – от полупроводников и фармацевтических препаратов до изготовления сверх прочных сталей.

Существуют большие возможности, которые открывает создание метастабильных продуктов, но процесс их создания экспериментаторами в лаборатории это тот же метод проб и ошибок.

В исследовании были использованы крупномасштабные интеллектуальные данные проектных материалов, которые имеются в Google.

Беркли Кристин Персон, исследователь лаборатории, который также является соавтором нового открытия, вычислил свойства более чем 67000 известных и прогнозируемых материалов с целью ускорения обнаружения новых продуктов и инноваций.

Дизайн и разработка материалов действительно медленный процесс, но в настоящее время значительно ускоряется за счет того, что можно вычислить свойства соединений, прежде чем они будут синтезированы.

Метастабильные материалы или материалы, которые способны преобразоваться в другое состояние в течение длительного периода времени, повсеместно используются как в науке, так и в технике и часто обладают превосходными свойствами. Например, существует шоколад с более низкой температурой плавления и лучшей текстурой, чем его стабильная форма. Есть также метастабильные разновидности сталей, которые имеют как ударную вязкость и прочность, так и свойства, которые обычно не обнаруживаются одновременно в самых стабильных сталях.

Ученые стремятся разработать новые материалы с определенными свойствами для применения в различных целях, например, сверхпрочный и легкий металл для транспортных средств. Но для синтеза каких-либо новых материалов с заданными свойствами, ученые должны понять, как процесс создания материала влияет на его структуру, а затеи и то, как структура полученных веществ, в свою очередь, влияет на его свойства и характеристики.

Ученые приводят аналогию метастабильных материалов с едой: «Если бы материалы проекта были поваренной книгой, представляющей собой базу данных ингредиентов и вкусных блюд, но не обладающей рецептами, было бы трудно угадать, каким образом можно приготовить те или иные продукты. То же самое и в случае с метастабильными материалами. Ученым трудно угадать какие же материалы образуются в результате синтеза». Есть некоторые случаи, где использование метастабильных материалов лучше в зависимости от их свойств, а есть и такие моменты, когда стабильные фазы более практичны к применению.

Это исследование устанавливает основу для размышления, как использовать компьютеры для предсказания «рецептов».

Предложен новый принцип метастабильности

Ранее у ученых имелись термодинамические характеристики для менее чем тысячи метастабильных соединений. По сравнению со стабильными материалами, исследовать метастабильные очень трудно. Еще больше это исследование осложняется тем, что метастабильные материалы могут образовать разные формы, от металлических сплавов и минералов, керамики до солей до многих других. На основании своих наблюдений, исследователи пошли еще дальше, чтобы объяснить, какие метастабильные материалы могут быть синтезированы, а какие нет. Возможно это более утонченный способ, который позволит выяснить, по каким принципам природа создает те или иные метастабильные материалы.