La naturaleza se esfuerza por el caos. Esa es una frase agradable y reconfortante cuando otra taza de café se ha caído sobre el teclado de la computadora y te imaginas que podrías desear que el brebaje azucarado y lechoso vuelva a la taza de café, donde había estado unos segundos antes. Pero desear no funcionará. Porque, como se mencionó, la naturaleza se esfuerza por el caos.

Los científicos han acuñado el término entropía para este efecto, una medida del desorden. En la mayoría de los casos, si el desorden aumenta, los procesos se ejecutan espontáneamente y se bloquea el camino de regreso al orden prevaleciente anteriormente. Ver la taza de café derramada. Incluso las centrales térmicas, que generan una enorme nube de vapor por encima de su torre de refrigeración a partir de una ordenada pila de madera o un montón de hulla, funcionan impulsadas por la entropía. El desorden aumenta dramáticamente en muchos procesos de combustión, y los humanos se aprovechan de esto, aprovechando un poco de energía en forma de electricidad del proceso en curso para sus propios fines.

¿Puede la entropía estabilizar algo?

Los cristales se consideran todo lo contrario del desorden. En una estructura cristalina, todos los elementos de la red se ordenan cuidadosamente juntos en el volumen más pequeño posible. Esto hace que la idea de que los cristales puedan estabilizarse mediante la fuerza de la entropía y, por lo tanto, crear una nueva clase de materiales sea aún más extraña.

Los materiales estabilizados por entropía son todavía un campo de investigación joven. Comenzó en 2004 con las llamadas aleaciones de alta entropía, mezclas de cinco o más elementos que se pueden mezclar entre sí. Si la mezcla tiene éxito y todos los elementos se distribuyen homogéneamente, a veces emergen propiedades especiales que no provienen de los ingredientes individuales sino de su mezcla. Los científicos los llaman "efectos de cóctel".

Incluso en el calor, reina el caos

Desde 2015, se sabe que incluso los cristales cerámicos pueden estabilizarse mediante el "poder del desorden". De esta manera, incluso los elementos minúsculos y de gran tamaño encajan en el cristal, lo que normalmente lo destruiría. El equipo de investigación de Empa ya logró insertar nueve átomos diferentes en un cristal. La ventaja es que permanecen estables incluso a altas temperaturas, porque "reorganizarlos" conduciría a un mayor orden. El esfuerzo natural por el máximo desorden estabiliza así la estructura cristalina inusual y, por lo tanto, todo el material.

“Con hasta cuatro componentes en el cristal, todo sigue normal; con cinco componentes y más, el mundo cambia”, explica Michael Stuer, investigador del departamento de Cerámica de Alto Rendimiento de Empa. Desde que el investigador criado en Luxemburgo se unió a Empa en 2019, ha estado trabajando en el campo de investigación de los cristales de alta entropía. "Esta clase de materiales abre una amplia gama de nuevas oportunidades para nosotros", dice Stuer. "Podemos estabilizar cristales que de otro modo se desintegrarían debido a tensiones internas. Y podemos crear superficies de cristal altamente activas que nunca antes existieron y buscar efectos de cóctel interesantes".

Junto con su colega Amy Knorpp, Stuer ahora se embarca en lo desconocido. Los dos son especialistas en la producción de polvo de cristal fino y tienen colegas en Empa para el análisis de superficies y rayos X para caracterizar con precisión las muestras que producen. Con su ayuda, Michael Stuer ahora quiere estar a la vanguardia de la escena internacional. “El número de publicaciones sobre el tema de los cristales de alta entropía está aumentando con mucha fuerza en este momento. Y queremos estar allí desde el principio”, dice el investigador.

Islas de conocimiento

Lo que se necesita ahora es un enfoque sistemático, experiencia y una buena dosis de perseverancia. ¿Por dónde empiezas? ¿Qué dirección toma uno? "Por el momento, no existe una experiencia coherente, ni una visión general completa de este nuevo campo de investigación", dice Stuer. "Distintos grupos de investigación de todo el mundo están trabajando en proyectos limitados. Por lo tanto, están surgiendo islas de conocimiento individuales que tendrán que crecer juntas en los próximos años".

Michel Stuer y Amy Knorpp se centran en materiales catalíticamente activos. La reacción química que les interesa consiste en combinar CO₂ e hidrógeno para formar metano. El objetivo es convertir un gas de efecto invernadero en un combustible sostenible y almacenable. "Sabemos que el CO₂ las moléculas se adsorben particularmente bien en ciertas superficies y que la reacción deseada se lleva a cabo más fácil y rápidamente", dice Amy Knorpp. "Ahora estamos tratando de producir cristales entrópicos en cuyas superficies existen regiones tan altamente activas".

Línea de montaje de productos químicos

Para avanzar más rápido, los investigadores han construido un dispositivo de síntesis especial con la ayuda del taller de Empa, en el que se pueden probar muchas mezclas químicas diferentes una tras otra, como en una línea de montaje. En el "Reactor Tubular de Flujo Segmentado", pequeñas burbujas recorren un tubo en el que tiene lugar la respectiva reacción. Al final, las burbujas se vacían y el polvo que contienen se puede procesar más.

"El 'reactor de flujo tubular' tiene una gran ventaja para nosotros:todas las burbujas son del mismo tamaño, razón por la cual siempre tenemos condiciones de contorno ideales y consistentes para nuestras síntesis", explica Stuer. "Si necesitamos cantidades más grandes de una mezcla particularmente prometedora, simplemente producimos varias burbujas con la misma mezcla una tras otra".

Las ventanas del lado derecho

El polvo precursor luego se convierte en cristales finos del tamaño y forma deseados a través de varios procesos de secado. “Los cristales son como casas, tienen paredes exteriores cerradas y algunas con ventanas”, explica Michael Stuer. A veces, la forma del cristal ya indica el lado de la ventana. Por ejemplo, cuando una mezcla forma cristales en forma de aguja. "Los lados largos de la aguja son los de menor energía. No pasa mucho allí. Los bordes de cristal en las puntas de las agujas, por otro lado, son de alta energía. Ahí es donde se pone interesante", dijo Stuer.

Para su primer gran proyecto, los investigadores de Empa se han asociado con colegas del Instituto Paul Scherrer (PSI). Investigan la posible metanización de CO₂ de plantas de biogás y plantas de tratamiento de aguas residuales en un reactor experimental. Los investigadores de PSI ya han adquirido experiencia con varios catalizadores y se encuentran repetidamente con un problema:el catalizador, en cuya superficie tiene lugar la reacción química, se debilita con el tiempo. Esto se debe al hecho de que los componentes de azufre en el biogás contaminan la superficie o que las superficies del catalizador sufren una transformación química a altas temperaturas.

Aquí es donde los investigadores buscan un gran avance utilizando cristales entrópicos; después de todo, estos no se descomponen ni siquiera a altas temperaturas:el caos los estabiliza. "Tenemos la esperanza de que nuestros cristales duren más en el proceso y posiblemente sean más impermeables a la contaminación por azufre", dice Stuer.

Dibujar un mapa

Después de eso, los especialistas en cristales de Empa están listos para otros desafíos, como baterías de alto rendimiento, cerámicas superconductoras o catalizadores para gases de escape de automóviles y otros procesos de producción química. "Estamos entrando en un bosque oscuro", dice Amy Knorpp. "Pero adivinamos en qué dirección se podría encontrar algo. Ahora estamos dibujando un mapa de estos sistemas. En algún lugar, creemos, hay un cofre del tesoro de ideas escondido".

Su investigación reciente se publica en CHIMIA . + Explora más

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