Матеріалознавство
Дихальні кристали: трансформація чистої енергії та електроніки
Securities.io дотримується суворих редакційних стандартів і може отримувати винагороду за перевірені посилання. Ми не є зареєстрованим інвестиційним консультантом, і це не є інвестиційною порадою. Будь ласка, перегляньте наші розкриття партнерів.
Команда інженерів з престижних університетів успішно створила кристал, який може вносити структурні зміни в режимі реального часу за допомогою методу маніпуляції молекулами кисню. Ці дихаючі кристали можуть відкрити шлях до значних досягнень у сфері теплових будівельних матеріалів, аерокосмічної галузі, обчислювальної техніки та систем чистої енергії. Ось що вам потрібно знати.
Сучасні матеріали, що дихають
Вчені продовжують досліджувати матеріали, що дихають, завдяки інженерії кисневих вакансій. Ці дослідники використовують такі матеріали, як оксиди перехідних металів (TMO), які можна модулювати в різні стани шляхом видалення атомів кисню з їхнього складу.
Ці стани мають різні характеристики, що дозволяє вченим налаштовувати програмовані функції. Таким чином, можливо посилювати або зменшувати каталітичні, електронні та фотокаталітичні можливості в мікроскопічному масштабі. Ці настроювані параметри зробили повітропроникні матеріали життєво важливими в майбутніх технологіях, таких як накопичення енергії, каталіз, надпровідність та електронні пристрої.
Оксиди кобальту
Найпоширеніший тип ТМО поєднує перовскіти на основі кобальту та заліза. Примітно, що перовскіти – це нанорозмірні кристалічні структури, форма яких робить їх ідеальними для створення елементів. Інженери використовують ці матеріали в ТМО, оскільки вони мають міцну структурну підтримку та можуть підтримувати кілька структурних фаз.
Проблеми з оксидами кобальту
Оксиди кобальту не позбавлені своїх обмежень. По-перше, ці матеріали зовні крихкі та дорогі у виробництві. Тому їх не можна використовувати в більш складних умовах без необхідності додаткових контрзаходів для запобігання пошкодженням.
Ще однією проблемою підходу на основі оксиду кобальту є те, що ці структури можуть досягати своїх окремих станів лише за високих температур або інших специфічних умов. Дотримання цих умов може збільшити загальну вартість, збільшити розмір та обмежити їхнє цільове застосування. Крім того, ці умови можуть призвести до розкладання, що знижує продуктивність.
Дослідження дихальних кристалів
Визнаючи ці обмеження, команда інженерів вирушила шукати більш стабільну та гнучку альтернативу ТМО на основі оксиду кобальту. Їхня робота «Селективне відновлення епітаксіального SrFe0.5Co0.5O2.5 та його оборотність» була опублікована.1 У журналі Nature Communications представлено новий склад ТМО, який може підтримувати ширший спектр стехіометрії кисню.
У рамках цього підходу інженери створили тонкі плівки оксиду металу зі стронцію, заліза та кобальту. Плівки SrFe0.5Co0.5O2.5 потім модулювали за допомогою різних газових середовищ. Команда зазначає, що їхні кристали забезпечують дихальний процес, вивільняючи та поглинаючи кисень, подібно до легень.
На відміну від традиційних методів відновлення оксидом кобальту, залізо залишалося інертним, забезпечуючи кристалам тверду структуру та виключаючи деградацію структури. Крім того, методи відновлення для конкретних елементів дозволяють інженерам налаштуватися на структурно різні фази з дефіцитом кисню, які демонструють різні якості.
Команда зазначила, що кисневі вакансії в тетраедричних місцях стабілізують структуру. Ця структурна жорсткість ще більше зростала, оскільки залізо модифікувало локальне координаційне середовище, блокуючи структурний розпад, індукований Co-.
Оригінальна форма
Вчені були вражені, побачивши, що кристали можуть повертатися до своєї початкової форми за допомогою кисню. Цей недорогий та контрольований метод відкриває шлях для кількох застосувань у багатьох технологічних секторах. Вони також задокументували, як залізо зменшує ймовірність утворення дефектних перовскітних, браунміллеритових та багатих на кисень перовскітних фаз під час процесу.
Тест на вивчення дихальних кристалів
Щоб перевірити свою теорію, вчені створили тонкі плівки SFCO з браунміллериту (BM). Потім вчений ініціював реакції, використовуючи 3% газоутворювальний H2/Ar (FG) протягом різних періодів часу. Цей газ реагує з воднем, що призводить до вивільнення атомів кисню з кристалічних решіток.
Під час процесу інженери використовували різноманітні стратегії тестування. Використання оптичної спектроскопії виявило підвищену прозорість та інші ключові деталі. Наприклад, команда відзначила зсув краю поглинання на 1.65 еВ на краю L Co після відновлення.
Окисно-відновне тестування
Щоб задокументувати повернення до початкового структурного стану, інженери провели вимірювання дифракції на місці та переносу між фазами. Вимірювання підтвердили розширення решітки поза площиною, що вказує на поступове утворення кисневих вакансій.
Ключові висновки дослідження дихальних кристалів
Випробування продемонстрували, що Fe відіграє вирішальну роль у підтримці структурної когерентності та запобіганні розкладу в термометал-метал-органічних сполуках (TMO). Вони також демонструють, як заздалегідь спланований окисно-відновний контроль дозволяє створювати функціонально різні фази з дефіцитом кисню.
Дослідження показало, що Fe залишалося хімічно стабільним за кількох відновних умов. Це підтверджує, що його присутність може зміцнити структурну підтримку, запобігаючи апікальному видаленню кисню. Цей процес призводить до утворення стабільної кисневодефіцитної фази замість нестабільної.
Переваги дихання кристалами
Проведіть пальцем, щоб прокрутити →
| Користь | Традиційні ТМО | Дихальні кристали |
|---|---|---|
| Стабільність | Схильний до структурного руйнування | Стабільний з армуванням із заліза |
| Умови роботи | Потребує високої температури | Функціонує за м'якших умов |
| Коштувати | Дороге виробництво | Більш доступний процес |
| додатків | Обмежено лабораторними умовами | Масштабованість для реального використання |
Дослідження дихаючих кристалів пропонує багато переваг для ринку. По-перше, ці кристалічні реакції відбуваються за м'якших умов. Такий підхід усунув необхідність у високотемпературних підходах або інших дорожчих та складніших методах маніпуляції газовим середовищем.
Стабільність
Найбільшою перевагою цього дослідження є те, що воно створює новий стабільний термометановий мономер на основі заліза, який може перетворювати фази з повними відновними можливостями. Стабільність цієї нової структури допоможе стимулювати майбутні інновації в нанотехнологіях, аерокосмічній галузі та інших сферах застосування.
Дихальні кристали. Застосування в реальному світі та хронологія:
Існує багато застосувань технології дихаючих кристалів. Ці крихітні структури є основою деяких найсучасніших та найважливіших інновацій сучасності. Від чистої енергії до електроніки тощо, існує кілька застосувань дихаючих кристалів, вартих уваги.
Екологічно чисті будівельні матеріали
Звіти показують, що системи клімат-контролю, такі як кондиціонери та обігрівачі, залишаються одними з найбільших споживачів енергії у світі. Це дослідження відкриває шлях до екологічно чистих розумних матеріалів, які можуть автоматично регулюватися, забезпечуючи комфорт без електрики.
Наразі розробляється кілька проектів, які поєднують інноваційні матеріали з конструкційним дизайном, щоб зменшити потребу в електричних засобах контролю температури. Прекрасним прикладом цієї концепції є розумні вікна. Ці спеціально розроблені вікна обіцяють автоматично регулюватися для збільшення або зменшення теплового потоку залежно від ваших налаштувань.
Технології чистої енергії
Ще одне застосування дихальних кристалів — це паливні елементи наступного покоління. Паливні елементи пропонують чисту енергію та портативність. Нещодавно інженери створили твердооксидні паливні елементи, які виробляють електроенергію з водню з мінімальними викидами. У майбутньому варіанти дихальних кристалів можуть забезпечити більшу стабільність та окисно-відновні можливості цих продуктів.
Розумні теплові пристрої
Якщо глибше заглибитися в значення цієї технології, легко зрозуміти, що ця робота може допомогти в керуванні механізмом інтелектуальних теплових пристроїв. Ці пристрої можуть автоматично виявляти зміни температури та налаштовуватися, щоб забезпечити продуктивність у складних умовах. Наприклад, уявіть собі передові комп'ютерні пластини, які можуть ідеально керувати тепловим зносом.
Хронологія дихальних кристалів
Мине приблизно 7-10 років, перш ніж ця технологія вийде на ринок. Інтеграція в сектор зеленої енергетики може відбутися швидше, оскільки він має сильну міжнародну підтримку, а ООН прагне досягти нульового рівня викидів вуглецю в найближчі десятиліття.
Дослідники дихальних кристалів
Дослідження дихальних кристалів проводилося в Пусанському національному університеті, Корея, та Університеті Хоккайдо, Японія. У статті професор Хьонджін Джин та професор Хіромічі Охта вказані як основні автори. Їм допомагали Джунхьок Лі, Ю-Сон Со, Крішна Чайтанья Пітіке, Говун Кім, Сангкюн Рю, Хьюн Чунг, Су Рян Парк, Сангмун Юн, Янгхак Кім та Валентино Р. Купер.
Дослідження дихаючих кристалів отримало фінансову та матеріальну підтримку від Науково-дослідного інституту електронної науки Університету Хоккайдо, Японія, та гранту Національного дослідницького фонду Кореї (NRF), що фінансується урядом Кореї.
Дихальні кристали майбутнього
Майбутнє дослідження дихаючих кристалів виглядає світлим. Існує великий попит на ці матеріали, оскільки вони необхідні для розвитку кількох високотехнологічних галузей, включаючи обчислювальну техніку та аерокосмічну галузь. Інженери зазначили, що їхня робота відкриває двері до нового фазового простору для програмованих матеріалів з дефіцитом кисню.
Інвестування в матеріалознавство
У секторі матеріалознавства існує багато компаній. Ці виробники створюють високотехнологічні матеріали, які забезпечують безперебійну роботу вашого комп'ютера, супутники в небі та багато іншого. Ось одна компанія, яка залишається інноваційною та допомогла просунути впровадження матеріалознавства наступного покоління.
JinkoSolar
JinkoSolar (JKS ) є провідним постачальником високоефективних фотоелектричних панелей, кремнієвих пластин та злитків, систем накопичення енергії та передових матеріалів, таких як сонячний мікрокристалічний кремній. Фірма вийшла на ринок у 2006 році та базується в Китаї.
Засновники компанії, Лі Сяньде, Канпін Чен та Сяньхуа Лі, прагнули запропонувати на ринку потужніші та стійкіші сонячні батареї. Примітно, що компанія одразу досягла успіху, і до 2010 року її акції котирувалися на Нью-Йоркській фондовій біржі.
(JKS )
JinkoSolar продовжує наполягати на розробці потужніших сонячних панелей, що призвело до значних покращень, починаючи з представлення серії Tiger Pro та надпотужних варіантів серії 700 Вт+ у 2021 році. Сьогодні компанія є лідером галузі та має представництва в Китаї, США, Південно-Східній Азії та на Близькому Сході. Тим, хто шукає авторитетні акції, що забезпечують доступ до кількох високотехнологічних секторів, варто детальніше дослідити акції JinkoSolar.
Останні новини та події щодо акцій JinkoSolar (JKS)
Дослідження дихальних кристалів | Висновок
Дослідження «дихаючих кристалів» відкриває шлях для розвитку більш просунутих матеріалознавчих наук. Унікальний підхід команди знижує витрати та підвищує продуктивність. Він також демонструє, як невеликі зміни можуть призвести до значних покращень у роботі з термомеханічними кристалами (ТМО). Тепер команда прагнутиме розширити свою роботу та забезпечити промислові партнерства, щоб вивести своє відкриття на ринок.
Дізнайтеся про інші цікаві відкриття в матеріалознавстві тут.
Список використаної літератури:
1. Лі Дж., Сео Ю.С., Пітіке К.С та інші Селективне відновлення епітаксіального SrFe0.5Co0.5O2.5 та його оборотність. Nat Commun 16, 7391 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62612-1
