Dicen que los diamantes son para siempre pero los diamantes, 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 longevos, Los materiales termodinámicamente metaestables podrían ser una mina de oro potencial para los 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 metaestabilidad para casi 30, 000 materiales conocidos. Esto allana el camino para diseñar y fabricar materiales prometedores de próxima generación para su uso 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 Wenhao Sun, investigador del Berkeley Lab." 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 realizar ".

La investigación fue publicada la semana pasada en la revista Avances de la ciencia en un papel titulado, "La escala termodinámica de la metaestabilidad cristalina inorgánica". Sol, un becario postdoctoral que trabaja con Gerbrand Ceder en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab, fue el autor principal, y Ceder fue el autor correspondiente.

El estudio involucró minería 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, dirigida por la investigadora del Berkeley Lab, Kristin Persson, quien también fue coautor del nuevo artículo, tiene propiedades calculadas 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 enormemente 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 se pueden fabricar y cómo, mapear la termodinámica subyacente es un primer paso importante ".

Cerrar una brecha en el paradigma fundamental de la ciencia de los materiales

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. Chocolate, por ejemplo, es metaestable, con un punto de fusión más bajo y mejor textura que el chocolate estable. 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 determinadas propiedades para diversas aplicaciones:un metal ultrarresistente pero ligero para vehículos, por ejemplo, pero para hacer cualquier material nuevo con las propiedades deseadas, Los científicos de materiales deben comprender cómo la síntesis del material influye en su estructura, y luego cómo la estructura a su vez afecta sus propiedades y desempeño. Esta, Sun explica, 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 en la comprensión de las relaciones síntesis-estructura ".

Sun ofrece una analogía con la comida:"Si el Proyecto 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 comprenden bien por qué aparecen fases metaestables durante la "cocción". Hay algunas aplicaciones en las que es mejor un material metaestable, y otros donde las fases estables son mejores. Este estudio sienta las bases para investigar cómo usar las computadoras para predecir recetas ".

Proponer un nuevo principio de metaestabilidad

Previamente, los científicos tenían números termodinámicos de menos de 1, 000 compuestos metaestables. "Es muy difícil estudiar la metaestabilidad sobre materiales conocidos porque no hay muchos datos disponibles en términos de calorimetría, que mide números termodinámicos, "Dijo Sun.

Y lo que es más, Los materiales metaestables vienen en muchas formas, desde aleaciones de metales y minerales hasta cerámica, sales, y más, dificultando una encuesta completa. "Lo que hemos hecho es minería de datos a gran escala en casi 30 000 materiales observados para medir explícitamente la escala termodinámica de metaestabilidad, en función de una amplia variedad de parámetros, como la química y la composición, que los químicos inorgánicos y los científicos de materiales pueden usar para desarrollar la intuición, "Dijo Sun.

Basado en sus observaciones, los investigadores dieron un paso más, para proponer un nuevo principio, denominan "metaestabilidad remanente" para explicar qué materiales metaestables se pueden sintetizar y cuáles no. "Básicamente estamos proponiendo criterios de búsqueda, estamos identificando qué materiales cristalinos se pueden hacer, y posiblemente bajo qué condiciones se pueden hacer, ", Dijo Sun." Esperamos que esta pueda ser una forma más refinada de pensar qué estructura cristalina elige la naturaleza cuando se forma un material ".