Hochentropielegierungen: Neue Materialien durch „chemische Unordnung“ entwickelt

Kürzlich wurde in der international renommierten Fachzeitschrift Nature ein Artikel mit dem Titel „Flüssiges Metall für die Synthese von Nanopartikeln aus hochentropischen Legierungen“ veröffentlicht, dessen erste Unterzeichnungseinheit die Universität Wuhan war. Das Forschungsteam von Fu Lei wählte die „Mischungsenthalpie“ als Ausgangspunkt, verringerte die Änderung der Gibbs-Freien Energie und verwendete flüssiges Flüssigmetall, um die atomare Herstellung verschiedener Legierungssysteme mit hoher Entropie unter milden Bedingungen zu erreichen. Dadurch wurde der Auswahlbereich für Komponenten von Legierungen mit hoher Entropie erheblich erweitert und es wird erwartet, dass die Anwendung dieser Legierungen in weiteren Schlüsselbereichen gefördert wird.

Wenn es um Legierungen geht, haben einige Leute vielleicht schon davon gehört, aber von Legierungen mit hoher Entropie haben noch weniger Leute davon gehört. Was sind also Hochentropielegierungen?

In der Chemie ist Entropie ein Konzept der Thermodynamik, das erstmals vom deutschen Physiker Clausius vorgeschlagen wurde. Mit der Entwicklung der Informationstheorie und der statistischen Physik haben Wissenschaftler erkannt, dass das Wesen der Entropie eigentlich der „innere Grad des Chaos“ eines Systems ist und dass sich eine hohe Entropie auf ein hohes Maß an Chaos und Unordnung im System bezieht.

Um den Ursprung von Hochentropielegierungen zu verstehen, müssen wir zunächst über Legierungen sprechen. Legierungen wie Aluminiumlegierungen und Stahl finden im täglichen Leben breite Anwendung. Stahl basiert auf Eisen. Durch Zugabe von Spuren nichtmetallischer Elemente wie Kohlenstoff entsteht eine Legierung, die hauptsächlich aus Eisen besteht. Unsere Vorfahren wussten dies bereits vor Christus, wie man an Bronzewaren sehen kann: Durch die Zugabe einer kleinen Menge Zinn zu Kupfer kann Bronze hergestellt werden; Durch Zugabe einer kleinen Menge Magnesium und Silizium zu Aluminium kann eine Aluminiumlegierung entstehen. Allerdings zeigt die Erfahrung, dass die Wahrscheinlichkeit einer Versprödung des Materials umso größer ist, je mehr Metallarten einer Legierung beigemischt werden. Daher haben Legierungskomponenten im Allgemeinen nur ein oder zwei. Während die Menschheit die Welt und den Weltraum immer weiter erforscht, werden herkömmliche Legierungsmaterialien zunehmend eingeschränkt und es werden Legierungen benötigt, die auch unter strengeren Bedingungen eine hervorragende Leistung erbringen.

Im Jahr 2004 veröffentlichte Ye Junwei, der „Vater der Hochentropielegierungen“, seine Forschungsergebnisse und bereitete Hochentropielegierungen vor. Damit bestätigte er seine Idee: Durch das Mischen einer ausreichend großen Anzahl von Elementen in gleichen Anteilen weist die endgültige Mischlegierung einen hohen Unordnungsgrad auf, der die Bildung von Clustern verhindern kann, die eine Versprödung der Legierung verursachen. An diesem Punkt sind Hochentropielegierungen allmählich in das Blickfeld der Wissenschaftler geraten und haben die bisherige Vorstellung, die die Menschen von Legierungen hatten, zerstört.

Als neuer Materialtyp, der auf „chemischer Unordnung“ basiert, werden Hochentropielegierungen durch Mischen mehrerer Komponenten hergestellt, was ihre Leistung stabiler macht. Sie verfügen außerdem über Supraleitung und Magnetismus und werden voraussichtlich in den Bereichen Elektrizität, Medizin, Kommunikation usw. eingesetzt.

Legierungen mit hoher Entropie sind chemisch beständig gegenüber Oxidation bei hohen Temperaturen und können zum Schutz des Metalls auf die äußere Metallschicht plattiert werden. Derzeit werden bekannte, hochtemperaturoxidationsbeständige Materialien wie Nickelbasislegierungen häufig in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, Nickelbasislegierungen sind jedoch teuer. Hochentropielegierungen gelten aufgrund ihrer besonderen Struktur und Eigenschaften als „die beste Alternative zur nächsten Generation oxidationsbeständiger Materialien bei hohen Temperaturen“.

Wasserstoff ist die sauberste Energiequelle und kann durch Wasserelektrolyse gewonnen werden. Allerdings sind die Kosten der Wasserelektrolyse sehr hoch. Die Synthese effizienter Wasserstoffentwicklungskatalysatoren ist der Schlüssel zur Verbesserung der Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse. Es wird erwartet, dass Übergangsmetalllegierungen mit hoher Entropie in Zukunft im Bereich der Wasserstoffproduktion eine größere Rolle spielen werden.

Obwohl Hochentropielegierungen derzeit noch nicht weit verbreitet sind, wird sich die Leistungsfähigkeit des Materials mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie noch weiter verbessern und es wird uns bei der Erforschung extremer Umgebungen wie dem Weltraum zu einem wertvollen Helfer werden.

(Der erste Autor ist Professor und Doktorvater an der Northwest Normal University, und der zweite Autor ist Masterstudent an der Northwest Normal University)