Bridging Chemically Distinct Coating Systems: Cross-System Transfer Learning Enables Discovery of Ultralow-Thermal-Conductivity Ferroelastic Tantalates

Stellen Sie sich das Innere eines Strahltriebwerks oder einer Gasturbine vor, einen Ort, an dem Metallteile Temperaturen standhalten müssen, die die meisten anderen Materialien schmelzen würden. Um diese Komponenten zu schützen, überziehen Ingenieure sie mit einer speziellen Schicht, einer sogenannten Wärmebarriere. Diese Beschichtung wirkt wie ein schwerer Wintermantel für die Maschine, der die intensive Hitze davon abhält, das darunter liegende Metall zu erreichen, und es der Maschine ermöglicht, heißer und effizienter zu laufen. Jahrzehntelang war das Standardmaterial für diese Aufgabe eine Art von Keramik, die mit Yttrium stabilisiert wurde. Doch da Triebwerke in Richtung noch höherer Temperaturen drängen, um mehr Leistung zu erzeugen, beginnt dieses alte Material zu versagen. Es verändert seine interne Struktur, wenn es zu heiß wird, was dazu führt, dass es sich ausdehnt und reißt, und es blockiert die Hitze einfach nicht gut genug, um den Anforderungen der nächsten Generation von Triebwerken gerecht zu werden. Wissenschaftler haben nach einem neuen Material gesucht, das bei extremer Hitze stabil bleiben kann, während es gleichzeitig noch weniger dieser Hitze durchlässt.

Ein Team von Forschern hat nun eine vielversprechende Lösung gefunden, indem es zwei neue Arten von Keramikmaterialien entdeckte, die außergewöhnlich gut darin sind, Hitze zu blockieren. Diese Materialien gehören zu einer Familie, die als Seltenerd-Tantalate bekannt ist und durch das Mischen verschiedener Seltenerdelemente mit Tantal und Sauerstoff hergestellt wird. Die Herausforderung bei der Suche nach der perfekten Mischung besteht darin, dass es so viele Seltenerdelemente zur Auswahl gibt und die Anzahl der möglichen Kombinationen so gewaltig ist, dass das Testen einer nach der anderen ein Leben lang dauern würde. Anstatt jede Möglichkeit einzeln zu testen, nutzten die Forscher einen klugen Ansatz unter Verwendung künstlicher Intelligenz. Sie brachten einem Computerprogramm bei, aus einer großen Sammlung von Daten über verschiedene, chemisch ähnliche Materialien zu lernen, die bereits gut verstanden waren. Sobald das Programm die allgemeinen Regeln darüber gelernt hatte, wie Wärme durch diese Arten von Keramiken fließt, baten sie es, dieses Wissen auf die spezifische, datenarme Welt der Seltenerd-Tantalate anzuwenden. Diese Methode, bekannt als Transfer Learning, ermöglichte es dem Computer, genaue Vorhersagen über neue Materialien zu treffen, ohne mit einer massiven Menge an neuen Daten beginnen zu müssen.

Der Computer untersuchte Hunderttausende potenzieller Rezepturen und identifizierte zwei spezifische Mischungen, die herausstachen, da sie die niedrigsten Wärmeleitfähigkeiten auf jemals aufgezeichneten Werten für diese Art von Massenkeramik aufwiesen. Eines dieser neuen Materialien, eine komplexe Mischung aus fünf verschiedenen Seltenerdelementen, wies eine Wärmeleitfähigkeit von nur 1,276 Watt pro Meter-Kelvin bei 900 Grad Celsius auf. Dies ist der niedrigste Wert, der jemals für eine Massenkeramik dieser Art bei dieser Temperatur gemessen wurde. Das zweite Material, eine Mischung, die acht verschiedene Seltenerdelemente enthält, schnitt ebenfalls außergewöhnlich gut ab, mit einem Wert von 1,307 Watt pro Meter-Kelvin. Um diese Vorhersagen zu bestätigen, stellten die Wissenschaftler die Materialien physisch in einem Labor her. Sie mischten die Rohpulver, pressten sie zu Scheiben und brannten sie in einem Ofen. Als sie die echten Proben testeten, stimmten die Messungen fast perfekt mit den Vorhersagen des Computers überein, was bewies, dass die künstliche Intelligenz sie erfolgreich zum richtigen Ergebnis geführt hatte.

Der Grund, warum diese neuen Materialien so gut darin sind, Hitze zu stoppen, liegt in ihrer unordentlichen, komplexen internen Struktur. In einem perfekten Kristall reist Wärme leicht, da die Atome in einem ordentlichen, geordneten Gitter angeordnet sind, was es Schwingungen ermöglicht, reibungslos von einem Ende zum anderen zu wandern. In diesen neuen Keramiken mischten die Wissenschaftler absichtlich verschiedene Atome unterschiedlicher Größe und elektrischer Eigenschaften in dieselben Stellen der Kristallstruktur. Dies schafft eine chaotische Umgebung, in der die Atome nicht perfekt zusammenpassen. Die daraus resultierenden Verzerrungen im Kristallgitter, kombiniert mit winzigen Defekten und Grenzen zwischen verschiedenen Regionen innerhalb des Materials, wirken wie Hindernisse auf einer Autobahn. Wenn die Hitze versucht, in Form von vibrierenden Atomen durch das Material zu reisen, streuen diese Hindernisse die Schwingungen, wodurch die Energie eingefangen und am Vorwärtsbewegen gehindert wird. Die Forscher nutzten leistungsstarke Mikroskope und Computersimulationen, um diese Effekte zu beobachten, und bestätigten, dass die Hitze durch eine Kombination aus Gitterverzerrungen, Sauerstofffehlstellen und mikroskopischen Domänen, die den Energiefluss stören, blockiert wurde.

Diese Entdeckung ist nicht nur für die spezifischen Materialien bedeutend, die gefunden wurden, sondern auch für die Methode, mit der sie gefunden wurden. Die Studie zeigt, dass Wissenschaftler, wenn sie mit einem Problem konfrontiert sind, das zu viele Möglichkeiten und zu wenig Daten bietet, Wissen aus verwandten Bereichen ausleihen können, um es zu lösen. Indem sie einem Computer beibrachten, die Physik des Wärmetransfers in einer Gruppe von Materialien zu verstehen, und dieses Verständnis dann auf eine neue, weniger untersuchte Gruppe anwandten, konnten sie den langsamen und teuren Prozess von Versuch und Irrtum umgehen. Die Ergebnisse zeigen, dass der beste Weg, diese ultra-niedrig wärmeleitenden Materialien zu kreieren, nicht einfach darin besteht, gleiche Mengen vieler Elemente zu mischen, wie zuvor angenommen, sondern die Proportionen sorgfältig abzustimmen, um das richtige Maß an interner Unordnung zu erzeugen. Dieser Ansatz hat einen neuen Weg für das Design fortschrittlicher Materialien für Hochtemperaturanwendungen eröffnet und bietet einen Bauplan dafür, wie man die nächste Generation von Wärmebarrieren entwickelt, die unsere Motoren kühler und effizienter laufen lassen wird.