Vi kender alle en velblandet smoothie – men har du hørt om en velblandet partikel?

Vidste du, at stål består af jern blandet med lidt kulstof? Eller at bronze er lavet af kobber ved at tilsætte cirka 10 procent tin?

Både stål og bronze er eksempler på legeringer – det vil sige et metal blandet med små mængder af andre grundstoffer.

Det blandede materiale har nye egenskaber – eksempelvis er stål meget hårdere, mere holdbart og ruster mindre (eller slet ikke) end jern, hvilket gør det mere anvendeligt i eksempelvis byggeri og elektronik.

Udvikling af materialer og især legeringer har altid været af stor betydning for teknologiske fremskridt.

Legeringer muliggør hårde guldsmykker, der holder i mange år, mere brændstofeffektive fly og biler, bakteriehæmmende proteser med meget mere.

Jeg forsker i at udvikle nye legeringer, der kan virke som katalysator i elektrokemiske reaktioner, blandt andet for teknologien Power-to-X. Og den forskning sendte mig en tur til en af verdens kraftigste røntgenkilder.

Hvorfor ekstremt kraftige røntgenstråler er nødvendige i det arbejde, forklarer jeg senere i artiklen.

Først skal vi forstå ’legerings-revolutionen’.

Overraskelse: Jo mere blandet, desto bedre

Den gamle legeringstankegang, hvor man blander små mængder af tilsætningsstoffer med et hovedmetal, blev vendt fuldstændig på hovedet for omkring 20 år siden.

Da fandt man en helt ny måde at udvikle legeringer på: Forskere begyndte at blande fem eller endnu flere grundstoffer i nogenlunde lige store mængder.

Og til alles overraskelse fandt de ud af, at det var muligt for de mange elementer at danne en blandet legering.

Jo mere blandet noget er, desto mere ’uorden’ og ’rod’ er der også (entropi). Og her ser det faktisk ud til, at den voldsomme uorden er med til at stabilisere det nye, sammenblandede materiale.

Disse ’nye’ legeringer kaldes derfor ’højentropi-legeringer’, fordi legeringen består af en meget rodet, blandet, men stabil masse.

Det har vist sig, at sådanne blandingsmetaller har mange spændende egenskaber, såsom høj styrke uden at være ’sprøde’ (sprødt vil her sige, at det knækker pludseligt som eksempelvis glas eller keramik, mens stof er bøjeligt - metaller ligger normalt et sted mellem de to ekstremer).

De nye legeringer kan for eksempel bruges til at erstatte stål i fremtiden.

10.000 gange mindre end et menneskehår

Du har formentlig hørt om kvantemekanikken (muligvis uden helt at forstå den i detaljer, det er heller ikke emnet her). Den bruger vi selvfølgelig også i kemiens verden.

Her forudsiger kvantekemiske beregninger, at højentropi-legeringerne også kan have nye og interessante egenskaber inden for katalyse.

De legeringer kan virke som en katalysator og dermed gøre kemiske reaktioner mere energieffektive.

Men katalyse sker på overfladen af materialet, og legeringer dannes normalt som store krystaller: Grundstofferne smeltes og blandes ved høje temperaturer og danner store krystaller, når de afkøles.

Derfor skal der produceres små nanopartikler af disse nye legeringer, hvis de skal kunne bruges som katalysator.

Nanopartikler har diametre, som er omkring 10.000 gange mindre end et menneskehår, og vi kan ikke se nanopartiklerne med normale mikroskoper.

Men hvordan skabes bittesmå partikler, som alligevel indeholder en hel række forskellige atomer?

Velblandede partikler er lettere at lave

For at undersøge dette spørgsmål tog vi, et dansk grundforskningsteam fra Københavns Universitet, til Grenoble i Frankrig for at bruge et af verdens stærkeste ’røntgenmikroskoper’, kaldet en synkrotron.

I en synkrotron kan vi bruge en røntgenstråle, der er flere milliarder gange mere intens end medicinsk røntgenstråling.

Med disse meget intense røntgenståler kan vi kigge ind i vores kemiske reaktionsovn og se de bittesmå nanopartikler, mens de dannes.

Det giver os mulighed for at se, hvilke kemiske processer der er involveret i materialedannelsen. Det hjælper os med at udvikle nye synteseveje, så vi kan producere præcis de materialer, vi har brug for.

Her ses hovedindgangen til den europæiske synkrotron i Grenoble, Frankrig, i aftensolen. Da eksperimenterne kører døgnet rundt, dag og nat, er man nogle gange nødt til at starte om aftenen og arbejde hele natten. (Foto: Rebecca Katharina Pittkowski)

Et kig ind i eksperimentkammeret, hvor syntesen finder sted, og røntgenstrålerne skinner på den. Billedet kan selvfølgelig kun tages, når vi ikke måler data, men starter en ny syntese. Der er brug for mange, mange tekniske apparater til at udføre et sådan eksperiment. (Foto: Rebecca Katharina Pittkowski)

På skærmen kan vi se billederne fra kameraerne direkte fra vores syntese. Da vi ikke kan gå ind i eksperimentet, når røntgenstrålen er tændt, er vi nødt til at bruge kameraerne for at sikre, at intet går galt. Glitteret i glasrøret er vores legering, der er ved at blive dannet. (Foto: Rebecca Katharina Pittkowski)

1 / 3

Vi undersøger, hvordan metalliske nanopartikler dannes af to typer atomer og sammenligner det med, hvordan det foregår med fem forskellige typer af atomer.

Reaktionen sker ved at blande salte af de forskellige grundstoffer og opvarme dem i en brint-gasblanding, indtil saltene bliver til metaller.

Denne proces kaldes reduktion.

Og i den reduktionsproces observerede vi noget forbløffende: Når mange forskellige typer atomer reagerer i ovnen, ser det ud til at være lettere at lave velblandede partikler, end når kun to typer atomer skal blandes.

De velblandede partikler bestående af fem forskellige typer atomer er højentropi-legeringer, altså netop det, vi har ledt efter. Men hvorfor er de lettere at lave?

Det forklarer vi med, at de forskellige typer atomer allerede er godt blandet i saltformen, når de kommer ind i ovnen.

Det betyder, at de allerede er i en fast, bundet form og kun kan bevæge sig over korte afstande. Det gør det sværere for alle atomer af samme type at finde hinanden, skille sig ud og danne en ublandet partikel eller partikel-del. Vi kalder det en ublandet krystallografisk fase.

Men hvis der kun er to typer forskellige atomer i ovnen, og de bliver metalliske efter hinanden, er det mere sandsynligt, at det ene type atom vil finde sig selv og danne en ublandet fase.

Forvirret? Måske et legoklods-eksempel kan hjælpe.

Muliggør nye synteser og katalysator-materialer

Vi kan forestille os det som at bygge med forskelligt farvede byggeklodser. Vi bygger nu den samme kube af de små klodser, en gang med to farver og en gang med fem forskellige farver.

Det er mere sandsynligt, at en bygning med fem forskellige byggesten bliver godt blandet, end hvis man kun bruger to farver af byggeklodser.

Denne opklaring af reaktionsmekanismen gør det nu muligt for os at udvikle nye synteser til at producere mange forskellige nye højentropi-legeringer i nanopartikel størrelse (for eksempel til brug i Power-to-X).

Det er vigtigt at blande de forskellige typer af atomer godt og derefter reducere dem fra den faste fase, så de forskellige elementer ikke længere kan adskilles fra hinanden.

Ved at følge denne ’opskrift’ kan vi nu lave mange nye blandinger og derefter teste dem for at se, om de nye legeringer med høj entropi fungerer godt som nye katalysator-materialer.

For eksempel undersøger vi, om materialerne kan have en positiv effekt på omdannelsen af brint til energi i en brændselscelle (hvilket er vigtigt for den grønne omstilling).

Eller endda finde helt nye anvendelser for denne spændende nye klasse af materialer af legeringer, som vi nu kan lave som bittesmå nanopartikler.

Rebecca Katharina Pittkowski er tilknyttet grundforskningscenteret ’Center for High Entropy Alloy Catalysis’, som er støttet af Danmarks Grundforskningsfond.

\ Læs også

‘Power-to-X’ skal forvandle blæsevejr til grønne brændstoffer – og udviklingen har rykket sig markant

Hvordan kan grundstoffer være ‘kunstige’?

Bohrium og hafnium: Her har danskere sat spor i det periodiske system