Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
В энтропийной инженерии учёные умело контролируют или используют беспорядок (энтропию) для улучшения характеристик материалов. Это означает, создание материалов с правильным балансом порядка и беспорядка для оптимального функционирования.
Манипулируя беспорядком в атомах, энтропийная инженерия меняет способы создания материалов для будущих технологий. Для примера можно представить аккуратную, организованную комнату с низкой энтропией. В противоположность этому, беспорядок в комнате будет иметь высокую энтропию.
По сути, энтропия измеряет степень беспорядка в системе. В науке это понятие часто применяется к энергии и передаче тепла.
Читайте: Из Лондона в Нью-Йорк за 54 минуты – Тоннель стоимостью 20 триллионов долларов
Манипулирование энтропией для повышения производительности
Энтропийная инженерия показала перспективность в улучшении различных свойств материалов, как термоэлектрическая эффективность.
Например, внедряя в материал различные типы атомов, учёные могут создавать контролируемое количество беспорядка (высокая энтропия), который помогает рассеивать частицы, переносящие тепло, и одновременно пропускать электрические токи.
Это означает, что полученный материал может препятствовать перемещению тепла, сохраняя при этом хорошую электропроводность. Примером такого принципа в действии являются полугейслеровские сплавы. Такие смеси/сплавы, оптимизированные путём добавления дополнительных металлов, обладают высокой энтропией, которая блокирует теплопередачу и повышает их способность генерировать электричество из тепла.
Энтропийная инженерия также играет важную роль в понимании биологических систем, как сворачиваемость белков – ключевая задача молекулярной биологии и биофизики. Белки переходят из хаотического, развёрнутого состояния (высокая энтропия) в стабильную, функциональную структуру (низкая энтропия).
Энергия, высвобождающаяся при образовании связей, уравновешивает снижение энтропии, стабилизируя белок. Неправильное сворачивание белков в организме человека может привести к таким заболеваниям, как болезнь Альцгеймера, поэтому исследования в этой области имеют решающее значение для разработки более эффективных методов лечения.
Почему высокоэнтропийные материалы так и остаются в лабораториях
Несмотря на значительные успехи, высокоэнтропийные материалы сложны при масштабном производстве и влекут за собой массу проблем при практическом применении.
Исследование, проведённое в 2022 году под руководством Шифенга Чжоу из Государственной лаборатории люминесцентных материалов и устройств, показало, что необходимо выйти за рамки традиционных принципов разработки материалов, которые ориентированы на энтальпию (содержание энергии).
Традиционный состав материалов обычно основывается на принципе, когда один или два главных компонента составляют основу, а второстепенные элементы служат в качестве дополнительных. Такой подход неизбежно ограничивает их сферу применения.
Как уже отмечалось, энтропийная инженерия вносит изменения в эту парадигму: когда количество основных компонентов превышает определённый порог, а структурная эволюция в процессе подготовки материала становится обусловлена энтропийными характеристиками.
Прогресс в области высокоэнтропийных металлических сплавов и керамических материалов значительно бы расширил сферу их применения. Однако является ли такой подход экономически эффективным?
Хотя высокоэнтропийные материалы обладают превосходными свойствами и теоретически могут иметь большое значение во многих областях, их текущие разработки по-прежнему сосредоточены в основном в лабораториях. Всё из-за таких ограничений, как стоимость производства и выход продукции.
Высокоэнтропийные материалы пока не нашли широкомасштабного применения в практической инженерии. И многие страны в настоящее время относят высокоэнтропийные материалы к стратегическим ресурсам.
Высокоэнтропийные материалы в отрасли преобразования энергии
В исследовании 2022 года были представлены первые квантово-ограниченные высокоэнтропийные наночастицы, открывающие новые классы наноматериалов для фотоники, оптоэлектроники, фотокатализа и термоэлектрического преобразования энергии.
Например, синтез высокоэнтропийного халькогенида в виде тонкой плёнки. Именно такая функциональная форма используется во многих устройствах, генерирующих энергию, например, солнечных батареях и тонкоплёночных термоэлектрических компонентах.
В процессе исследования учёными были разработаны высокоэнтропийные тонкие плёнки из различных металлических составов, демонстрирующие универсальность в каталитических и энергетических видах оборудования.
Отвечая на вопрос об эффективности энтропийной инженерии и стратегий оптимизации материалов для преобразования энергии, стоит отметить и многочисленные возможности в области устойчивого производства энергии. Среди них – применение в термоэлектричестве, электрокатализе, батареях, накопителях энергии и эластичной керамике.
При этом список новых и неожиданных применений этих материалов продолжает расширяться с каждым днём. Например, новые термоэлектрические генераторы эффективно преобразуют отработанное тепло в электричество, что делает их полезными для извлечения энергии из теплопроизводящих установок.
Исследование, опубликованное в сентябре 2024 года, показало, что такие устройства вскоре смогут соперничать по эффективности с другими возобновляемыми источниками энергии. Используя высокоэнтропийные материалы, исследователи уже разработали термоэлектрические материалы, способные достигать коэффициента преобразования до 15%, что является значительным улучшением по сравнению с нынешними 5-6%.
Такие достижения открывают большой потенциал для использования отработанного тепла в промышленности и космических сферах.
Будущие высокоэнтропийных материалов
Энтропийная инженерия может быть ограничена кристаллическими сплавами и керамическими материалами. Поэтому для развития энтропийной инженерии необходимо распространить её принципы и на аморфные материалы, например, как фотонное стекло, и разработать эффективные методы прогнозирования свойств таких материалов.
Теоретическое моделирование, искусственный интеллект и другие современные инструменты помогут определить оптимальные компоненты для получения высокоэффективных материалов, что значительно сокращает цикл исследований и разработок.
Однако относительно высокая стоимость создания таких материалов остаётся препятствием для широкого практического их применения. Чтобы преодолеть это, инновационные направления должны стимулировать создание новых требований к материалам, направляя инженерное использование высокоэнтропийных материалов и раскрывая весь их потенциал.
По данным исследования рынка, проведённого компанией Business Research, ожидается, что мировой рынок высокоэнтропийных сплавов вырастет с 54,7 млн долларов США в 2022 году до 486 млн к 2032 году. Этот рост подчёркивает трансформационный потенциал высокоэнтропийных материалов в материаловедении и инженерии.
Высокоэнтропийные материалы получат всё более широкое применение, от повышения термоэлектрической эффективности до новаторских решений в нанотехнологиях и биологических системах. Энтропийная инженерия является ключом к открытию инновационных решений будущего.