Исследовательская группа, возглавляемая Университетом Южного Методиста (SMU), разработала более экономичный и энергоэффективный материал, известный как нановолокна с высоким энтропийным оксидом (HEO), которые превосходят существующие материалы по стойкости к нагреву, коррозии и другим жестким условиям.
Эти нановолокна HEO, представленные в журнале Science, могут оказаться особенно полезными в таких областях, как аэрокосмическая индустрия, энергетика и электроника, где материалы должны демонстрировать высокую производительность в экстремальных условиях.
В отличие от высокоэнтропийных материалов, созданных ранее, нановолокно, разработанные Амином Салехи-Ходжином и его командой из SMU, могут быть 3D-печатаны или распыляться при комнатной температуре для производства компонентов или покрытия поверхностей. Это делает их более энергоэффективными и экономичными по сравнению с традиционными высокоэнтропийными материалами, которые обычно существуют в виде массивных структур и требуют высокотемпературного литья.
Что такое нановолокно с высоким энтропийным оксидом (HEO)?
Нановолокна представляют собой чрезвычайно тонкие, узкие полоски материала, обычно всего лишь несколько нанометров (одна миллиардная метра) в толщину и шириной от десятков до сотен нанометров.
Нановолокна HEO относятся к особому типу этих лентовидных полосок, называемому высокоэнтропийными материалами или сплавами, которые обладают высокой степенью беспорядка в своей атомной структуре.
Представьте себе приготовление фруктового салата. Вместо того чтобы в основном использовать виноград с несколькими бананами или яблоками, вы берете равные количества яблок, бананов, винограда, апельсинов и ягод — создавая более разнообразный и сбалансированный фруктовый салат.
Высокоэнтропийные материалы следуют тому же принципу.
"Большинство материалов состоит преимущественно из одного или двух элементов, но высокоэнтропийные материалы объединяют пять или более элементов в примерно равных пропорциях," — объяснил Салехи-Ходжин. "Это равномерное распределение приводит к высокому беспорядку в атомной структуре — то, что ученые называют 'высокой энтропией', — что может повысить прочность материала, его стойкость к нагреву и способность противостоять стрессу или коррозии."
То, что Салехи-Ходжин при поддержке исследователей из Университета Иллинойс в Чикаго, Стокгольмского университета и Университета Вашингтона смог сделать впервые, заключается в разработке методов производства низкоразмерных высокоэнтропийных материалов для экономически эффективного и энергоэффективного производства.
Соавтор исследования в журнале Science Ильяс Папайлиас, являющийся доцентом кафедры механической инженерии SMU Lyle, отметил, что была разработана новая методика синтеза, позволяющая точно контролировать морфологию высокоэнтропийных материалов.
"Сначала элемент серы использовался для травления образцов в двумерные (2D) структуры, за которым следовал процесс окисления, преобразующий эти двумерные структуры в одномерные (1D)," — пояснил Папайлиас.
"Эта техника обеспечивает контроль более чем на два порядка величины по ширине и размеру нановолокон, получаемых данным методом," — добавил он. "Было установлено, что в процессе окисления происходит нуклеация одномерных лент, которые в конечном итоге превращаются в полноценные одномерные системы при длительном окислении, что было подтверждено широким спектром ин-ситу экспериментов."
Исследование, опубликованное в Science, показало, что нановолокна, созданные Салехи-Ходжиным и названные 1D-HEO, сохраняли свою структуру при исключительно высоких температурах (до 1000 °C). То же самое было подтверждено и при повышенном давлении (до 12 гигапаскалей), а также при длительном воздействии агрессивных кислотных и щелочных химических сред (pH = 2,3 и 13 на протяжении 7 дней).
Хотя для практического использования этого материала требуется провести дополнительные испытания, Салехи-Ходжин отметил, что твердость и стойкость 1D-HEO делают его идеальным кандидатом для применения в условиях, требующих термостойкости, устойчивости к давлению и долговечности при высоких механических нагрузках.
"Этот новый метод может произвести революцию в области материаловедения, представив новые структуры энтропии," — заявил Салехи-Ходжин, который начал исследования этих нановолокон в UIC.
