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(Noticias de Nanowerk) La naturaleza se esfuerza por el caos. Esa es una oración agradable y reconfortante cuando una taza de café se ha derramado sobre el teclado de la computadora y crees que puedes desear que la infusión dulce y lechosa vuelva a la taza de café, justo donde estaba segundos antes. Pero desear no funcionará. Porque como dije, la naturaleza se esfuerza por el caos.
Los científicos han acuñado el término entropía para este efecto, una medida del desorden. Si la interrupción aumenta, los procesos se ejecutan espontáneamente en la mayoría de los casos y se bloquea el camino de regreso al orden prevaleciente anteriormente. Ver la taza de café derramada. Incluso las plantas combinadas de calor y energía, que generan una enorme nube de vapor a partir de un montón ordenado de madera o carbón sobre su torre de enfriamiento, funcionan impulsadas por la entropía. En muchos procesos de combustión, el desorden aumenta dramáticamente, y las personas aprovechan esto aprovechando un poco de energía del proceso en curso en forma de electricidad para sus propios fines.
![Se crea una mezcla química diferente en cada una de las gotas dentro del reactor de flujo tubular](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=61232.php/id61232_1.jpg)
¿Puede la entropía estabilizar algo?
Los cristales son vistos como todo lo contrario del desorden. En una estructura cristalina, todos los elementos de la red se ordenan cuidadosamente juntos en los espacios más pequeños. La idea de que los cristales podrían estabilizarse mediante el poder de la entropía y así crear una nueva clase de materiales es 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, es decir, 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 surgen propiedades especiales que no provienen de los ingredientes individuales, sino de su mezcla. Los científicos llaman a esto el “efecto cóctel”.
El caos reina incluso en el calor
Se sabe desde 2015 que los cristales cerámicos también pueden estabilizarse mediante el «poder del desorden». De esta manera, los elementos diminutos y de gran tamaño que normalmente lo destruirían también encajan en el cristal. El equipo de investigación de Empa ya ha logrado incorporar nueve átomos diferentes en un cristal. La ventaja es que permanecen estables incluso a altas temperaturas, porque el «cambio» 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, a partir de cinco componentes el mundo cambia”, explica Michael Stuer, investigador del departamento de Cerámica Avanzada de Empa. Desde que el investigador, que creció en Luxemburgo, llegó a Empa en 2019, ha estado trabajando en el campo de investigación de cristales de alta entropía (Chimia, «De la síntesis a la microestructura: Ingeniería de los materiales cerámicos de alta entropía del futuro»). «Esta clase de material abre muchas posibilidades nuevas 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 se habían visto y buscar efectos de cóctel interesantes”.
Junto con su colega Amy Knorpp, Stuer ahora se dirige hacia 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 en lo más alto de la escena internacional. “El número de publicaciones sobre el tema de los cristales de alta entropía está aumentando rápidamente en la actualidad. Y queremos estar ahí desde el principio”, dice el investigador.
islas de conocimiento
Lo que se requiere ahora es un enfoque sistemático, conocimiento especializado y mucha perseverancia. donde empiezas ¿Qué dirección tomas? «Actualmente no existe una experiencia coherente, ni una visión general de esta nueva área de investigación», dice Stuer. “Varios grupos de investigación de todo el mundo están trabajando en proyectos limitados. Esto crea islas individuales de conocimiento que tendrán que crecer juntas en los próximos años”.
Michel Stuer y Amy Knorpp se centran en materiales catalíticamente activos. La reacción química que le interesa implica la combinación de >CO2 e hidrógeno a metano. El objetivo es convertir un gas de efecto invernadero en un combustible sostenible y almacenable. “Sabemos que >CO2 Las moléculas se adsorben particularmente bien en ciertas superficies y la reacción deseada se desarrolla más fácil y rápidamente», dice Amy Knorpp. «Ahora estamos tratando de producir cristales entrópicos con regiones altamente activas en sus superficies».
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línea de montaje químico
Para avanzar más rápido, los investigadores construyeron un dispositivo de síntesis especial con la ayuda del taller 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 contenido puede procesarse más.
«El ‘reactor de flujo tubular’ tiene una gran ventaja para nosotros: todas las burbujas son del mismo tamaño, por lo que siempre tenemos condiciones de contorno ideales y constantes para nuestras síntesis», explica Stuer. «Si necesitamos cantidades más grandes de un compuesto particularmente prometedor, simplemente producimos varias burbujas con el mismo compuesto una tras otra».
Las ventanas de la derecha
El polvo precursor luego se transforma 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 algunos tienen 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 muy energéticos. Ahí es donde se pone interesante», dice 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 enfrentan repetidamente a un problema: el catalizador en cuya superficie tiene lugar la reacción química se debilita con el tiempo. Esto se debe a que los componentes de azufre en el biogás contaminan la superficie o las superficies del catalizador sufren una transformación química a altas temperaturas.
Aquí los investigadores están buscando un gran avance con cristales entrópicos; después de todo, estos no se desintegran ni siquiera a altas temperaturas: el caos los estabiliza. «Esperamos que, al hacerlo, nuestros cristales duren más y posiblemente sean más resistentes 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 tenemos una conjetura sobre en qué dirección se puede encontrar algo. Ahora dibujemos un mapa de estos sistemas.
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