Un nuevo estudio revela por primera vez cómo diferentes métodos de síntesis pueden afectar profundamente las propiedades estructurales y funcionales de los óxidos de alta entropía, una clase de materiales con aplicaciones en dispositivos electrónicos cotidianos. El estudio fue publicado esta semana. Revista de la Sociedad Química Estadounidense.
“El material específico que estudiamos aquí es un óxido de alta entropía con una estructura cristalina de espinela, que es una mezcla de cinco óxidos de metales de transición diferentes. El entusiasmo que vemos en torno a esta clase de materiales tiene que ver con sus propiedades electroquímicas”, dijo la Dra. Alanah. Halas, es físico del Blueson Quantum Matter Institute y del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Columbia Británica.
“La razón por la que estos sistemas de alta entropía son tan prometedores desde ese punto de vista es que tienen mucha flexibilidad química. Al sintetizar estos materiales, tenemos muchas perillas diferentes que podemos girar, por lo que hay un potencial ilimitado en las formas podemos construirlos.”
Los investigadores crearon muestras idénticas utilizando cinco métodos de síntesis diferentes: estado sólido, alta presión, hidrotermal, sales fundidas y síntesis de combustión. Los métodos incluyen diferentes formas de calentar el material, diferentes velocidades a las que se enfría el material a temperatura ambiente y diferentes condiciones químicas bajo las cuales puede ocurrir el calentamiento.
“Nuestros resultados confirman que el método de síntesis es muy importante. Descubrimos que, si bien la estructura promedio permanece sin cambios, las muestras varían significativamente en su estructura local y su microestructura y la síntesis por combustión da como resultado muestras altamente homogéneas”.
La diferencia clave entre los métodos de síntesis es el mecanismo impulsor que crea el material, dijo el autor principal del estudio, Mario Ulises González-Rivas, quien ha dominado el arte de hacer muestras utilizando diferentes métodos de síntesis durante su tiempo como investigador de doctorado. En el equipo de Hallas.
En el método de estado sólido, los óxidos metálicos se mezclan y luego se calientan, de forma similar a como se hornea un pastel. El método de alta presión añade tensión externa durante el calentamiento, lo que puede afectar la estructura del material. El método hidrotermal imita la formación de minerales en el núcleo de la Tierra calentando sales metálicas en agua dentro de un recipiente presurizado, creando un flujo que ayuda a que los cristales crezcan. El método de las sales fundidas utiliza sales de metales fundidos, que forman un líquido espeso que permite que los cristales precipiten a medida que se enfría. Finalmente, el proceso de combustión implica disolver sales metálicas en agua, formando un gel que se enciende, produciendo rápidamente el material deseado mediante una rápida reacción de combustión.
“Algunos de estos materiales tienen un gran potencial para su uso para abordar los desafíos energéticos. La implementación tecnológica de estos materiales para sistemas energéticos está profundamente influenciada por el tipo de variación estructural que observamos en este estudio”, dijo González-Rivas. “Nuestros resultados proporcionan efectivamente un nuevo eje de optimización que se puede considerar al implementar estos materiales en un entorno aplicado”.
El estudio fue realizado por el equipo de Halas en UBC Blueson QMI, el investigador afiliado de UBC Blueson QMI de la Universidad de Saskatchewan, Dr. Instituto Robert Greene y Max Planck para la Investigación del Estado Sólido. El resultado de una colaboración entre Hidenori Takagi.