Harnessing a transient liquid-metal flux for the ultrafast photoforging of compositionally complex oxide nanoarchitectures

Het maken van nieuwe materialen voelt vaak als het mengen van olie en water. In de wereld van de chemie weigeren bepaalde elementen simpelweg om te mengen, zelfs niet wanneer ze tot extreme temperaturen worden verhit. In plaats van één enkel, uniform substantie te vormen, splitsen ze zich op in afzonderlijke brokken, een proces dat fase-segregatie wordt genoemd. Dit is een grote hindernis voor wetenschappers die proberen een specifieke klasse geavanceerde materialen te maken, genaamd compositioneel complexe oxiden. Dit zijn vaste stoffen die bestaan uit veel verschillende metaalatomen gemengd in één enkele kristalstructuur. Hoewel dergelijke materialen enorme beloften inhouden voor schone energie en betere batterijen, falen traditionele methoden voor het maken ervan meestal. De langzame, trage verhitting die nodig is om deze eigenwijze elementen te dwingen te mengen, vernietigt vaak de delicate, hoog-oppervlaktevormen die nodig zijn om effectief te functioneren, waardoor er slechts grove, nutteloze korrels achterblijven.

Een team onderzoekers van het Korea Institute of Science and Technology heeft een manier gevonden om deze fundamentele beperking te omzeilen. Ze ontwikkelden een techniek die ze "fotoforging" (lichtsmeedwerk) noemen, die een vluchtig vloeibaar metaal combineert met een verblindend snelle lichtflits om deze complexe materialen in een fractie van een seconde te creëren. Door gebruik te maken van een enkele, intense lichtflits van slechts twintig duizendste van een seconde, slaagden ze erin om een mengsel van metalen te smelten, ze perfect te laten mengen, en ze vervolgens direct op hun plaats te bevriezen voordat ze konden scheiden. Het resultaat is een nieuw type materiaal dat direct op een metaalsubstraat groeit als een bos van ongelooflijk dunne, verticale vellen. Deze methode lost niet alleen het mengprobleem op, maar creëert ook een materiaal dat uitzonderlijk goed is in het splitsen van water in waterstof en zuurstof, een cruciale stap in de productie van schone brandstof.

Het verhaal van deze ontdekking begint met een eenvoudige observatie over hoe metalen zich gedragen als ze heet worden. Normaal gesproken moeten wetenschappers verschillende metalen urenlang bakken in een oven bij hoge temperaturen om ze in één enkel oxide te mengen. Dit langzame proces geeft de atomen de tijd om hun meest comfortabele, stabiele posities te vinden, maar het geeft hen ook de tijd om uit elkaar te drijven als ze niet van nature bij elkaar passen. De onderzoekers wilden precies het tegenovergestelde doen: ze moesten de atomen zo snel mengen dat ze gevangen zouden raken in een uniforme staat voordat ze de kans kregen om te scheiden. Om dit te bereiken, wenden ze zich tot een vloeibare metaallegering van gallium en indium, die bij relatief lage temperaturen vloeibaar blijft. Ze mengden dit vloeibare metaal met minuscule deeltjes die diverse overgangsmetalen bevatten, zoals ijzer, kobalt, nikkel, koper en zink.

Wanneer dit mengsel op een plaat nikkelvezel werd aangebracht en werd geraakt door een enkele, krachtige lichtflits, vond er een dramatische transformatie plaats. De intense hitte van het licht, die steeg en daalde met een snelheid van vijftig duizend graden Kelvin per seconde, zorgde ervoor dat het vloeibare metaal uiteenspatte en zich verspreidde, waarbij het de oppervlakte van de nikkelvezels bevochtigde. In deze korte, gesmolten staat fungeerde het vloeibare metaal als een oplosmiddel, dat de verschillende metaalatomen meevoerde en ze met perfecte uniformiteit mengde. Cruciaal is dat het licht ook een reactie teweegbracht tussen het vloeibare metaal en de onderliggende nikkelvezel, waardoor een dunne, vaste laag ontstond die het nieuwe materiaal aan het oppervlak verankerde. Toen de lichtflits eindigde, koelde het materiaal net zo snel af als het was opgewarmd, waardoor de gemengde atomen in een enkele, stabiele structuur werden bevroren.

Wat uit dit proces voortkwam, was een strikt verschillend materiaal dan wat traditionele ovens produceren. In plaats van de volumineuze, blokkerige kristallen die men gewoonlijk ziet, creëerde de fotoforging-methode een dicht bos van ultradunne, tweedimensionale vellen die verticaal op de nikkelvezels staan. Deze vellen waren zo dun dat ze alleen onder krachtige microscopen te zien waren, maar ze waren chemisch uniform en bevatten al die verschillende metaalatomen gelijkmatig verdeeld. De onderzoekers bevestigden dat het vloeibare metaal niet in het eindproduct bleef; het diende slechts als een tijdelijk voertuig om de ingrediënten te leveren en te mengen, waarbij een puur, complex oxide achterbleef. Deze snelle cyclus van verhitting en afkoeling was de sleutel tot succes, omdat het de atomen voorkwam om zich te herschikken in aparte fasen, waardoor ze effectief werden gevangen in een hoogenergetische staat die onmogelijk te bereiken zou zijn via langzame verhitting.

De veelzijdigheid van deze methode werd getest door een bibliotheek van materialen te creëren met verschillende combinaties van metalen, variërend van eenvoudige enkelvoudige metaaloxiden tot complexe mengsels met tot wel tien verschillende elementen. De onderzoekers ontdekten dat hoewel sommige combinaties moeite hadden met het vormen van de gewenste bladachtige structuur, de meest complexe mengsels, met name die met vijf of meer elementen, consequent de prachtige, verticale nanosheets produceerden. Dit suggereert dat de loutere complexiteit van de aanwezigheid van veel verschillende atomen de structuur daadwerkelijk helpt te stabiliseren, waardoor de elementen niet uit elkaar vallen. In een opmerkelijke demonstratie slaagde het team erin een materiaal te creëren met tien verschillende metaalsoorten, die allemaal homogeen in één samenhangend raamwerk waren samengevoegd. Dit niveau van compositionele vrijheid opent een enorme nieuwe ruimte voor het ontwerpen van materialen met specifieke eigenschappen, iets wat voorheen onbereikbaar was.

Om te zien of deze nieuwe materialen daadwerkelijk nuttig werk konden verrichten, testten de onderzoekers een versie met vijf metalen als elektrode voor het splitsen van water. In dit proces wordt elektriciteit gebruikt om watermoleculen uiteen te breken om waterstofbrandstof en zuurstofgas te produceren. Het nieuwe materiaal, dat geen bindmiddelen nodig had om aan de elektrode te hechten, presteerde met uitzonderlijke efficiëntie. Het splitste water in waterstof en zuurstof met een snelheid en duurzaamheid die wedijverden met of zelfs superieur waren aan de beste commercieel beschikbare katalysatoren. Het materiaal bleef meer dan honderd uur continu in bedrijf zonder tekenen van slijtage te vertonen. Deze duurzaamheid wordt toegeschreven aan de unieke structuur van het materiaal, waarbij de nauwe menging van vele verschillende atomen een rigide, gespannen rooster creëert dat weerstand biedt tegen afbraak onder de zware omstandigheden van de reactie.

De betekenis van dit werk ligt niet alleen in het specifieke gecreëerde materiaal, maar in de methode die gebruikt is om het te maken. Door het mengen van atomen los te koppelen van de groei van de vorm van het materiaal, hebben de onderzoekers aangetoond dat het mogelijk is om de thermodynamische regels te omzeilen die normaal gesproken bepalen hoe materialen ontstaan. Het fotoforging-proces verandert het traditionele probleem van onmengbaarheid in een ontwerptool, waardoor wetenschappers elementen kunnen mengen die normaal gesproken weigeren te combineren. Deze aanpak comprimeert wat voorheen een traag proces van vallen en opstaan was bij de ontdekking van materialen naar een kwestie van milliseconden per monster. Het biedt een krachtige nieuwe manier om enorme combinaties van elementen te verkennen, wat potentieel de ontwikkeling van betere batterijen, sensoren en katalysatoren voor een breed scala aan toepassingen kan versnellen. Het vermogen om direct complexe, hoogwaardige materialen op een substraat te smeden, vertegenwoordigt een fundamentele verschuiving in de manier waarop we de creatie van de volgende generatie functionele vaste stoffen kunnen benaderen.