Ученые создали новые высокоэнтропийные материалы с уникальными свойствами
Синтез высокоэнтропийных слоистых гидроксидов редкоземельных элементов (РЗЭ) выполнили ученые из Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН, 28 ноября сообщает пресс-служба института.
Полученные слоистые гидроксиды состоят в равных концентрациях из пяти и более различных редкоземельных элементов. Выбор катионного состава материалов определяет их стабильность и люминесцентные свойства, что позволяет применять их в качестве катализаторов или люминофоров.
Результаты работы ученые представили в статье «Высокоэнтропийные слоистые гидроксиды редкоземельных элементов», опубликованной в журнале Inorganic Chemistry.
Энтропия — одно из фундаментальных научных понятий. Из существующих нескольких определений ее наиболее известно следующее: энтропия отражает степень беспорядка в системе.
Эту характеристику материальных систем можно представить так: молекулы газообразного вещества движутся хаотично, и его энтропия газа намного выше, чем кристалла, в котором молекулы практически неподвижны и формируют строгую структуру, располагаясь каждая на своем месте.
Увеличить энтропию кристалла можно, заменяя часть атомов в кристаллической решетке на другие, имеющие схожие химические свойства. Это сходство позволяет сохранить структуру кристалла, но увеличение энтропии приведет к увеличению его стабильности. Соединения называют высокоэнтропийными, если такая замена будет произведена пятью и более различными «эквивалентными» элементами, обычно, металлами.
Полученные в конце XX века первые высокоэнтропийные соединения — сплавы и керамики — показали ряд необычных свойств, среди которых высокая термическая устойчивость, прочность, коррозионная стойкость и твердость.
Так, два года назад было обнаружено, что температура плавления некоторых высокоэнтропийных оксидов оказалась выше на целых 100 °С, чем у простых оксидов. Экспериментально доказанная повышенная стабильность ряда высокоэнтропийных керамик позволяет создавать материалы для аккумуляторов электроэнергии с увеличенным сроком службы.
РЗЭ, редкоземельные элементы — это группа из 17 металлов, имеющих схожие химические свойства. Схожесть свойств дает возможность легко заменять в их соединениях один элемент другим, причем в любых пропорциях, создавая высокоэнтропийные соединения. При этом каждый РЗЭ обладает уникальными люминесцентными и магнитными свойствами, формируя уникальный набор свойств для различных применений.
Автор статьи, сотрудник ИОНХ РАН Мария Теплоногова рассказала: «В нашей лаборатории уже много лет ведутся работы по созданию новых материалов на основе слоистых гидроксидов редкоземельных элементов. Необычная структура и свойства таких соединений позволяют легко настраивать их химический состав, а значит, и функциональные характеристики».
Специалисты лаборатории уже «собрали» из слоистых гидроксидов РЗЭ новые материалы, которые могут использоваться в том числе для люминесцентных термометров, а также как антиоксиданты или средства доставки лекарств.
Кроме того, ученые открыли совершенно новые соединения РЗЭ и разработали для них технологичные методы синтеза. В результате были впервые полученые высокоэнтропийные слоистые гидроксиды РЗЭ с формулой (Y, Eu, Gd, Er, Ln)₂(OH)₅NO₃×xH2O.
Здесь Ln — это один или несколько элементов — иттербий (Yb), тербий (Tb), (самарий) Sm, (неодим)Nd.
Для исследования структуры и химического состава результатов синтеза был применен ряд методов, в том числе рентгеновская дифракция, атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно-связанной плазмой, просвечивающая растровая электронная микроскопия и спектроскопия комбинационного рассеяния света.
Полученные данные доказали эффект энтропийной стабилизации: «Некоторые РЗЭ, например, иттербий (Yb), за счет довольно малого размера атома с большим трудом образует индивидуальный слоистый гидроксид, однако с легкостью встраивается в структуру высокоэнтропийного гидроксида», — заявила Мария Теплоногова.
Кроме того, нагреванием этих высокоэнтропийных слоистых гидроксидов РЗЭ можно получить соответствующие высокоэнтропийные оксиды.
Функциональные свойства новых материалов предстоит еще детально исследовать, однако их химический состав позволяет говорить о перспективности их использования в качестве катализаторов, люминесцентных меток или биосенсоров.
