Los científicos ajustan la síntesis de carburos de alta entropía para una mejor eficiencia

Investigadores de Skoltech y la Universidad Politécnica de Tomsk han ajustado la síntesis de un carburo de cinco elementos, un compuesto fuerte de carbono y cinco metales de transición que se funde con fuerza, que es muy prometedor para la cerámica industrial y la catálisis.

El equipo se basó en principios teóricos fundamentales, simulaciones y aprendizaje automático para identificar las condiciones para la síntesis de carburo monofásico, en el que todos los átomos metálicos se distribuyen uniformemente por todo el cristal. Las predicciones fueron confirmadas por un experimento que utilizó el método avanzado de síntesis de arco eléctrico sin vacío de bajo consumo. El estudio se publica en Materiales computacionales npj.

Los carburos de alta entropía (HEC) son soluciones sólidas monofásicas equimolares multicomponente de cinco o más metales de los grupos cuatro y cinco de la tabla periódica con una estructura cristalina cúbica de tipo NaCl. Uno de los factores clave de la estabilización HEC es la entropía configuracional o de mezcla, que debe ser superior a 1,5 veces la constante universal de los gases. Esto significa que el compuesto debe contener al menos cinco elementos básicos.

Los HEC atraen cada vez más la atención de los investigadores debido a sus propiedades mecánicas únicas, un punto de fusión alto y una conductividad térmica baja. Además, cuentan con mayor dureza, tenacidad a la fractura y estabilidad térmica que los carburos metálicos individuales.

El método de síntesis HEC más común es la sinterización por plasma de chispa reactiva (SPS) de materias primas prehomogeneizadas basadas en carburos metálicos individuales, metales puros u óxidos metálicos. Por lo general, los HEC se sintetizan a altas temperaturas de alrededor de 2200 a 2300 grados centígrados, y el SPS se aplica a presiones de alrededor de 10 a 60 MPa con una permanencia de 10 a 15 minutos, mientras que la homogeneización de las materias primas puede llevar más de un día.

«El método de síntesis de arco eléctrico sin vacío ayuda a producir HEC en polvo sin utilizar equipos complejos, costosos y que consumen mucha energía, como bombas de vacío para alto vacío o compresores para presión externa. Nuestra configuración es única porque no necesita presión o vacío para producir HEC», explica Alexander Pak, jefe del Laboratorio de Materiales Energéticos Avanzados y gerente del proyecto estratégico Energía del Futuro en TPU.

«Además, podemos obtener carburos tanto monofásicos como monofásicos mediante la variación flexible de los parámetros de síntesis. Los HEC son una clase de materiales bastante nueva, por lo que todavía tenemos que identificar sus propiedades reales y usos potenciales, que probablemente incluirán cerámicas refractarias y varios tipos de catalizadores».

El equipo utilizó la simulación Canonical Monte Carlo (CMC) con potenciales interatómicos de aprendizaje automático y realizó cálculos de primeros principios para determinar las temperaturas de síntesis para carburos monofásicos y multifásicos. Según los cálculos, la síntesis a baja temperatura producirá principalmente HEC multifásicos con dos o más fases coexistentes de carburos multicomponente, mientras que la síntesis a más de 1500 °C dará como resultado HEC monofásicos.

«Al aplicar el método CMC, hemos logrado predecir la estructura cristalina termodinámicamente estable de HEC a diferentes temperaturas de síntesis y, como resultado, encontrar la temperatura de transición de fase múltiple a monofásica. Nuestros experimentos a temperaturas por debajo y por encima del punto de transición confirmaron los resultados de la simulación. Por lo tanto, pudimos implementar una secuencia de investigación completa, desde un modelo de computadora hasta una muestra física», Skoltech Ph.D. estudiante Vadim Sotskov de la IA para notas del grupo de ciencia de materiales.