DEED新計算科学的手法により数百種類の極限環境用ニューセラミックスが発見される
DEED新計算科学的手法により数百種類の極限環境用ニューセラミックスが発見されたようです。
「スパークプラズマ焼結や電界支援焼結技術（FAST）は、産業界ではまだ一般的な技術ではありません。しかし、現在のセラミックメーカーは、既存のプロセスや設備を少し調整することで、これらの材料の製造に軸足を移すことができます」。
ダグ・ウルフ
ペンシルバニア州立大学材料科学・工学教授、研究担当副学長
もしあなたが、溶けた溶岩の中に携帯電話を落としてしまうことを、根深くしつこく心配しているのなら、幸運です。
デューク大学の材料科学者が率いる研究チームは、華氏数千度以上の溶岩のような温度でも機能するデバイスを可能にするほど頑丈な耐熱性と電子的耐性を持つ新しいクラスの材料を迅速に発見する方法を開発した。
鋼鉄よりも硬く、化学的に腐食しやすい環境でも安定したこれらの材料は、新しい耐摩耗性・耐腐食性コーティング、サーモエレクトロニクス、バッテリー、触媒、耐放射線性デバイスの基礎となる可能性もある。
これらの材料（遷移金属の炭窒化物またはホウ化物を用いたセラミックス）のレシピは、Disordered Enthalpy-Entropy Descriptor（DEED）と呼ばれる新しい計算手法によって発見された。DEEDの最初の実証実験では、900種類の新しい高性能材料の合成可能性が予測され、そのうちの17種類が実験室でテストされ、製造に成功した。
この結果は、ペンシルベニア州立大学、ミズーリ科学技術大学、ノースカロライナ州立大学、ニューヨーク州立大学バッファロー校の共同研究者によるもので、『Nature』誌オンライン版に1月3日付けで掲載された。
「合成可能な組成物を迅速に発見できるようになったことで、研究者は業界を破壊する特性の最適化に集中できるようになります」と、デューク大学のエドモンド・T・プラット・ジュニア・スクール特別教授（機械工学・材料科学）のステファノ・クルタロロ氏は語った。
クルタロロ・グループはデューク大学Automatic-FLOW for Materials Database (AFLOW)を管理しています。これは材料特性データの膨大なリザーバーで、材料最適化のための多くのオンラインツールに接続されています。この豊富な情報により、複雑な原子力学のシミュレーションや実験室での製作を試みなくても、アルゴリズムが未踏の混合物の特性を正確に予測することができる。
過去数年間、カータローロ・グループは、従来の材料の秩序だった原子構造だけに頼るのではなく、原子のカオス的な混合物から強化された安定性を導き出す「高エントロピー」材料の予測力の開発に取り組んできた。2018年、彼らはより単純で特殊なケースである高エントロピー炭化物を発見した。
「高エントロピー炭化物はどれも比較的均一なエンタルピーを持っていたので、方程式の一部を無視することができました。「しかし、他の遷移金属を使った新しいセラミック・レシピを予測するためには、エンタルピーに対処する必要がありました」。
この応用におけるエントロピーとエンタルピーの概念をよりよく理解するためには、10歳の子供が巨大なレゴの山から犬小屋を作ろうとしているところを思い浮かべてほしい。限られた種類の積み木でも、多くの設計結果が考えられるだろう。
簡単に言えば、エンタルピーは各設計がどれだけ頑丈であるかを示す尺度であり、エントロピーはすべて同じような強度を持つ設計の可能性の数を示す尺度である。前者は、説明書にあるような秩序だった構成を促進する。後者は、子供がますます混乱する組み立て作業に時間とエネルギーを費やすにつれて生じる、避けられない混沌をとらえたものである。どちらも、最終的な製品に吸収されるエネルギーと熱の量の尺度である。
「エンタルピーとエントロピーの両方を迅速に定量化するためには、私たちが求めているセラミックの代わりに作り出せる可能性のある、何十万通りもの様々な材料の組み合わせに含まれるエネルギーを計算しなければなりませんでした」とカータロロは言う。「とカータロロは語った。
DEEDは、安定した無秩序セラミックスの新しいレシピを予測するだけでなく、セラミックス固有の特性を発見するためのさらなる分析の方向付けにも役立っている。様々な用途に最適なセラミックスを見つけるためには、研究者はこれらの計算を改良し、実験室で物理的にテストする必要がある。
DEEDは、特にホットプレス焼結と呼ばれる製造方法に合わせて作られています。これは、粉末状の構成化合物を真空中で華氏4000度まで加熱し、圧力をかけながら数時間かけて焼結するものである。準備、反応、冷却のすべての時間を合わせると、全工程に8時間以上かかる。
「スパークプラズマ焼結と呼ばれる合成の最終段階は、材料科学の新しい手法であり、研究室では一般的です」と、ミズーリS&Tのセラミック工学のキュレーター特別教授であるウィリアム・ファーレンホルツは言う。
完成したセラミックスは金属的な外観を持ち、濃い灰色か黒に見える。ステンレス鋼のような金属合金のように感じられ、密度も似ているが、見た目はもっと暗い。また、金属的に見えても、従来のセラミックスのように硬くて脆い。
今後、他の研究者たちもDEEDを使って、さまざまな用途の新しいセラミック材料を合成し、その特性をテストし始めるだろう。潜在的な特性や用途が驚くほど多様であることから、そのうちのいくつかが商業生産に入るのは時間の問題だと彼らは考えている。
「スパークプラズマ焼結やフィールド・アシスト焼結技術（FAST）は、産業界ではまだ一般的な技術ではありません。「しかし、現在のセラミックメーカーは、既存のプロセスや設備を少し調整するだけで、これらの材料の製造に軸足を移すことができます。
その他
大元：この研究は主に、Curtarolo氏が率いる米国防総省の学際的大学研究イニシアティブ（MURI）コンペティション（N00014-21-1-2515、N00014-23-1-2615）および国防総省ハイパフォーマンス・コンピューティング近代化プログラム（HPC-Frontier）による5年間750万ドルの助成金によって支援された。https://pratt.duke.edu/news/deed-ceramics/。