Eles dizem que os diamantes são para sempre, mas os diamantes, na verdade, são uma forma metaestável de carbono que lentamente, mas eventualmente se transforma em grafite, outra forma de carbono. Ser capaz de projetar e sintetizar outros de longa duração, materiais termodinamicamente metaestáveis ​​podem ser uma potencial mina de ouro para designers de materiais, mas até agora, os cientistas careciam de uma compreensão racional deles.

Agora, pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) publicaram um novo estudo que, pela primeira vez, quantifica explicitamente a escala termodinâmica de metaestabilidade para quase 30, 000 materiais conhecidos. Isso abre caminho para projetar e fabricar materiais promissores de última geração para uso em tudo, desde semicondutores a produtos farmacêuticos e aços.

“Há uma grande possibilidade no espaço de materiais metaestáveis, mas quando experimentalistas vão ao laboratório para fazê-los, o processo é muito heurístico - é tentativa e erro, "disse Wenhao Sun, pesquisador do Berkeley Lab." O que fizemos nesta pesquisa é entender as fases metaestáveis ​​que foram feitas, para que possamos entender melhor quais fases metaestáveis ​​podem ser feitas. "

A pesquisa foi publicada na semana passada na revista. Avanços da Ciência em um artigo intitulado, "A escala termodinâmica de metaestabilidade cristalina inorgânica." Sol, um pós-doutorado trabalhando com Gerbrand Ceder na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, foi o autor principal, e Ceder foi o autor correspondente.

O estudo envolveu mineração de dados em grande escala do Projeto de Materiais, que é um banco de dados de materiais semelhante ao do Google que usa supercomputadores para calcular propriedades com base em estruturas de mecânica quântica de primeiros princípios. O Projeto de Materiais, dirigido pela pesquisadora do Berkeley Lab, Kristin Persson, que também foi co-autor do novo artigo, calculou propriedades de mais de 67, 000 materiais conhecidos e previstos com o objetivo de acelerar a descoberta e inovação de materiais.

"O design e desenvolvimento de materiais é realmente um processo lento, mas agora está sendo muito acelerado pelo fato de que podemos calcular as propriedades dos compostos antes de serem feitos, "Ceder disse." Embora ainda não entendamos completamente quais materiais podem ser feitos e como, mapear a termodinâmica subjacente é um primeiro passo importante. "

Preenchendo uma lacuna no paradigma fundamental da ciência dos materiais

Materiais metaestáveis, ou materiais que se transformam em outro estado durante um longo período de tempo, são onipresentes tanto na natureza quanto na tecnologia e costumam ter propriedades superiores. Chocolate, por exemplo, é metaestável, com menor ponto de fusão e melhor textura do que chocolate estável. Existem também aços metaestáveis ​​que têm tenacidade e resistência, propriedades normalmente não encontradas simultaneamente na maioria dos aços estáveis.

Os cientistas adorariam desenvolver novos materiais com certas propriedades para várias aplicações - um metal ultra-forte, porém leve, para veículos, por exemplo, mas para fazer qualquer novo material com as propriedades desejadas, os cientistas de materiais devem entender como a síntese do material influencia sua estrutura, e como a estrutura, por sua vez, afeta suas propriedades e desempenho. Esse, Sun explica, é o paradigma fundamental da ciência dos materiais.

"O Projeto de Materiais nos ajudou a vincular a estrutura de um material às suas propriedades, "Ceder disse." O que fizemos aqui é o primeiro passo quantitativo para entender as relações síntese-estrutura.

Sun oferece uma analogia com a comida:"Se o projeto de materiais fosse um livro de receitas, seria como um banco de dados de ingredientes e pratos deliciosos, mas sem receitas. Criar receitas é difícil porque os cientistas não entendem por que as fases metaestáveis ​​aparecem durante o 'cozimento'. Existem algumas aplicações onde um material metaestável é melhor, e outros onde as fases estáveis ​​são melhores. Este estudo estabelece uma base para investigar como usar computadores para prever receitas. "

Propondo um novo princípio de metaestabilidade

Anteriormente, os cientistas tinham números termodinâmicos para menos de 1, 000 compostos metaestáveis. "É muito difícil fazer o levantamento da metaestabilidade de materiais conhecidos porque não há muitos dados disponíveis em termos de calorimetria, que mede números termodinâmicos, "Sun disse.

O que mais, materiais metaestáveis ​​vêm em muitas formas, abrangendo ligas metálicas e minerais para cerâmica, sais, e mais, tornando difícil uma pesquisa abrangente. "O que fizemos foi mineração de dados em grande escala em quase 30, 000 materiais observados para medir explicitamente a escala termodinâmica de metaestabilidade, em função de uma ampla variedade de parâmetros, como química e composição, que químicos inorgânicos e cientistas de materiais podem usar para construir a intuição, "Sun disse.

Com base em suas observações, os pesquisadores deram um passo adiante, para propor um novo princípio, eles denominam "metaestabilidade remanescente" para explicar quais materiais metaestáveis ​​podem ser sintetizados e quais não podem. "Estamos essencialmente propondo critérios de pesquisa¬? Estamos identificando quais materiais cristalinos podem ser feitos, e, possivelmente, em que condições eles podem ser feitos, "Disse Sun." Esperamos que esta seja uma maneira mais refinada de pensar sobre qual estrutura de cristal a natureza escolhe quando um material se forma. "