Projekti / Programi
Visokoentropijske kovinske spojine
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.01 |
Naravoslovje |
Fizika |
Fizika kondenzirane materije |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P002 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
Visokoentropijske kovinske spojine; elektronske, magnetne in termične lastnosti
Raziskovalci (14)
Organizacije (3)
Povzetek
V zadnjih letih so bile razvite konceptualno nove kovinske zlitine, sestavljene iz več večinskih kemijskih elementov v enakih ali približno enakih molarnih razmerjih. Te zlitine so bile poimenovane visokoentropijske kovinske spojine (ang. High-Entropy Alloys – HEA). Velika mešalna entropija, ki je posledica slučajnega mešanja kemijskih elementov na kristalni mreži, stabilizira kemijsko neurejeno trdno raztopino s preprosto kristalno strukturo, kot sta npr. telesno centrirana kubična (bcc) in ploskovno centrirana kubična (fcc) mreža. V primerjavi z urejenimi kristalnimi intermetalnimi spojinami, ki imajo velikokrat ogromno osnovno celico, imajo HEA zlitine majhno osnovno celico. Za strukturo HEA zlitin je značilna topološko urejena kristalna mreža z izjemno velikim kemijskim neredom zaradi naključne razporeditve atomov različnih kemijskih elementov na mrežnih mestih, zato lahko HEA zlitino smatramo kot "kovinsko steklo na urejeni kristalni mreži". Veliko entropijo mešanja dosežemo v zlitinah sestavljenih iz petih ali več kemijskih elementov v primerljivih koncentracijah, to je med 5 in 35 atomskih odstotkov za vsak element, hkrati pa nobeden izmed elementov ne sme preseči koncentracije 50 %. Primeri HEA zlitin so sistemi Al-Si-Co-Cr-Cu-Fe-Mn-Ni-Ti, W-Nb-Mo-Ta-V in Ta-Nb-Hf-Zr-Ti. HEA zlitine je možno sestaviti iz velike množice različnih kemijskih elementov, katerih koncentracije lahko precej poljubno spreminjamo v širokem intervalu. Zato je število različnih možnih HEA zlitin praktično neomejeno. Kljub temu so doslej raziskali le okrog deset HEA zlitin, zato je področje še skoraj povsem neraziskano. Leta 2014 je raziskovalni skupini prof. J. Dolinška (vodji predlaganega projekta) uspel mednarodni preboj na tem področju – odkritje prve superprevodne HEA zlitine Ta-Nb-Hf-Zr-Ti (P. Koželj et al., Phys. Rev. Lett. 113, 107001 (2014)).
Cilji predlaganega projekta so: (1) sinteza, določitev strukture in meritve električnih, magnetnih ter termičnih fizikalnih lastnosti novih HEA zlitin s telesno centrirano kubično strukturo v sistemih Ta-Nb-Hf-Zr-Ti, Zr-Ti-V-Cr-Fe-Ni in Al-Co-Cr-Cu-Fe-Ni; (2) razviti in raziskati želimo prvo HEA zlitino s heksagonalno strukturo, sestavljeno iz lantanidov (redkih zemelj) Ce-Ho-Dy-Y-Lu-Gd-Tb. Ker ima večina lantanidov velike atomske magnetne momente, pričakujemo nekonvencionalne magnetne lastnosti, v cerijevih zlitinah pa tudi električno prevodnost značilno za težke fermione in pojave povezane s spinskimi fluktuacijami; (3) nameravamo tudi teoretično modelirati lastnosti trdnih snovi z geometrijsko urejeno kristalno strukturo in istočasno velikim kemijskim (substitucijskim) neredom.
Ker v literaturi skoraj ne najdemo poročil o fizikalnih lastnostih HEA zlitin, s predlaganim projektom odpiramo novo področje raziskav – fiziko trdne snovi, ki jo določa izredno velik kemijski nered na sicer topološko dobro urejeni mreži. Pričakovan rezultat naših raziskav je razvoj HEA zlitin z novimi – izboljšanimi fizikalnimi lastnostmi za uporabo v elektroniki, magnetizmu in pri magnetokaloričnih aplikacijah.
V predlagani projekt bodo vključeni raziskovalci in tehnično osebje treh uglednih slovenskih raziskovalno–pedagoških inštitucij: (1) Oddelek za fiziko Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, (2) Odsek za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan in (3) Institut za matematiko, fiziko in mehaniko, v sodelovanju z "Jülich Research Center" iz Nemčije, ETH Zürich iz Švice in Univerzo Chalmers na Švedskem.
Pomen za razvoj znanosti
Ker v literaturi skoraj ne najdemo poročil o fizikalnih lastnostih visokoentropijskih zlitin, s predlaganim projektom odpiramo novo področje raziskav – fiziko trdne snovi, ki jo določa izredno velik kemijski nered na sicer topološko urejeni mreži. HEA zlitine lahko opredelimo kot sisteme, ki so vmes med običajnimi (urejenimi) kristali in amorfno neurejenimi kovinskimi stekli ter kažejo lastnosti obeh. Pričakujemo, da bomo razvili nove teoretične opise trdne snovi tipa HEA zlitin glede na stabilnost njihovih faz ter elektronskih, magnetnih in termičnih lastnosti. Pričakovan aplikativni rezultat naših raziskav bo razvoj HEA zlitin z novimi – izboljšanimi fizikalnimi lastnostmi za uporabo v elektroniki, magnetizmu in pri magnetokaloričnih aplikacijah. Na ta način sta zagotovljena novost in izvirnost predlaganih raziskav. Pričakujemo, da bodo rezultati raziskav znatno vplivali na razvoj novih teoretičnih konceptov pri razumevanju topološko urejenih, vendar kemijsko neurejenih trdnih snovi in na razvoj novih kovinskih materialov za uporabo v visoki tehnologiji.
Pomen za razvoj Slovenije
Cilji sinteze in raziskav fizikalnih lastnosti nove generacije kovinskih spojin – visokoentropijskih zlitin – so iskanje fizikalno-kemijsko-mehanskih lastnosti ali kombinacij lastnosti, ki jih ne najdemo v klasičnih kovinskih materialih in so uporabne v praksi. Zato ne dvomimo, da bodo rezultati raziskav prispevali k razvoju novih materialov, novih tehnologij in novih visokotehnoloških izdelkov. Visokoentropijski materiali, pri katerih bomo s spreminjanjem kemijske sestave lahko določali razmerje med električno in toplotno prevodnostjo, bodo uporabni v električnih in termičnih (ter termoelektričnih) aplikacijah. Primer takega »pametnega« materiala je visokoentropijska zlitina, ki bo hkrati dober električen in slab toplotni prevodnik. Visokoentropijske zlitine iz redkih zemelj z veliko magnetizacijo in majhno histerezo bo možno uporabljati v magnetokaloričnih aplikacijah za hladilnike nove generacije, ki ne bodo uporabljali plinastega hladilnega medija in s tem ne bodo onesnaževali okolja ob morebitnem nekontroliranem izpustu. Druga magnetna aplikacija so močni permanentni magneti nove generacije. Novi visokoentropijski materiali in z njimi povezane nove tehnologije ponujajo veliko možnosti za nove visokotehnološke produkte malih in srednjevelikih podjetij. Verjeten je nastanek novih podjetij in odprtje visokotehnoloških delovnih mest, kar bo prispevalo k razvoju socialne infrastrukture.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
