4 Minuten
Pristatytas naujas „kvėpuojantis“ deguonimi kristalas
Tarptautinė tyrėjų grupė iš Korėjos ir Japonijos sukūrė kristalinį metalinį oksidą, galintį pakartotinai atiduoti ir įsiurbti deguonį santykinai žemoje temperatūroje — savybę, kurią tyrėjai palygina su „kvėpavimu“. Medžiaga, sudaryta iš stroncio, geležies ir kobalto, atlieka grįžtamą deguonies mainą neardydama kristalinės struktūros, o tai atveria kelią švarios energijos technologijoms ir adaptacinei elektronikai. Credit: Prof. Hyoungjeen Jeen from Pusan National University, Korea
Atrasta, vadovaujant profesorui Hyoungjeen Jeen (Fizikos katedra, Pusan National University), kartu su bendraautoriu profesoriumi Hiromichi Ohta (Research Institute for Electronic Science, Hokkaido University), ir paskelbta Nature Communications (2025 m. rugpjūčio 15 d.). Komanda parodė, kad oksidas išskiria deguonį, kai jis švelniai kaitinamas paprastoje dujų aplinkoje, ir vėl įsisavina deguonį pasikeitus sąlygoms — tai visiškai grįžtamas procesas, atsparus daugeliui ciklų.
Mokslinis pagrindas ir kodėl svarbu valdyti deguonį
Deguonies kiekio valdymas kietose medžiagose yra esminė galimybė daugeliui technologijų. Kietųjų oksidų kuro elementuose (SOFC) deguonies jonų judėjimas per metalinius oksidus leidžia efektyviai paversti vandenilį elektra su mažomis emisijomis. Terminiai tranzistoriai — prietaisai, reguliuojantys šilumos srautą panašiai kaip elektroniniai tranzistoriai jungia elektros srovę — taip pat remiasi medžiagomis, kurių šiluminė laidumas kinta priklausomai nuo deguonies stoichiometrijos. Išmanieji langai, dinamiškai reguliuojantys šilumos pralaidumą, gali pasinaudoti panašiais deguonies jautriais mechanizmais, kad prisitaikytų prie oro sąlygų ir sumažintų pastatų energijos suvartojimą.
Kuo šis kristalas skiriasi?
Ankstesnės medžiagos, skirtos deguonies mainams, dažnai reikalavo ekstremalių temperatūrų arba prarado savybes po ciklų. Naujas stroncio–geležies–kobalto oksidas išsiskiria tuo, kad deguonies atleidimo metu redukcinės reakcijos įvyksta daugiausia kobalto jonų lygiu, o persitvarkymas suformuoja naują, bet stabilų kristalinį tinklą, o ne sugriovimą. Svarbu tai, kad deguonies sugrąžinimas atkartoja pradinę kristalinę struktūrą, patvirtindamas tikrą grįžtamumą — tai būtina sąlyga praktinėms taikymo sritims, tokioms kaip kietųjų oksidų kuro elementai ir išmaniosios energijos sistemos.
Pasekmės, taikymai ir eksperimentiniai akcentai
Pagrindinės pasekmės apima:
- Švari energija: patobulintos deguonį valdančios medžiagos gali padidinti SOFC efektyvumą, ilgaamžiškumą ir sumažinti darbinę temperatūrą.
- Išmanios terminės sistemos: medžiagos, kurių šilumos perdavimas kinta priklausomai nuo deguonies kiekio, gali leisti kurti terminę logiką ir adaptuotą izoliaciją.
- Elektronika ir statybinės medžiagos: grįžtamas deguonies mainas gali tapti pagrindu naujoms neblogaus atminties idėjoms, jutikliams ir energiją taupančioms architektūrinėms dangoms.
Tyrimas sudarė kruopštus stroncio–geležies–kobalto oksido sintezės derinys, kontroliuoti kaitinimo eksperimentai dujų aplinkoje ir struktūrinė charakterizacija, stebėjusi jonų valencijos ir kristalinės fazės pakitimus. Komanda pabrėžia, kad medžiaga išlieka nepažeista per daug pakartojimų ir veikia švelnesnėmis, praktiškesnėmis sąlygomis nei daugelis ankstesnių kandidatų — tai svarbu mastelio didinimui ir integracijai į įrenginius.
„Tai panašu į tai, kad kristalui suteikiame plaučius; jis gali įkvėpti ir iškvėpti deguonį pagal poreikį,“ reziumuoja prof. Jeen aptariamą atradimo naujumą. Prof. Ohta priduria: „Tai didelis žingsnis link išmaniųjų medžiagų, galinčių realiu laiku prisitaikyti.“ Jų darbas atskleidžia tiek pagrindines pereinamųjų metalų redoks cheminių procesų įžvalgas, tiek akivaizdų technologinį potencialą.
Ekspertų įžvalga
Dr. Elena Park (nepriklausoma medžiagų mokslininkė, fiktyvi) komentuoja: „Grįžtamas deguonies mainas žemoje temperatūroje struktūriškai stabilioje oksidinėje matricoje yra retos savybės. Jei mastelio didinimas išsaugos šias savybes, medžiaga galėtų sumažinti kuro elementų darbinę temperatūrą ir leisti kurti kompaktiškus terminės perjungimo komponentus. Kitas žingsnis — ilgalaikiai cikliniai bandymai taikymo sąlygomis ir plonų plėvelių integracija į realius įrenginius.“
Išvados
Stroncio–geležies–kobalto oksidas, apie kurį pranešė tyrėjai iš Korėjos ir Japonijos, demonstruoja grįžtamą, žemoje temperatūroje vykstantį deguonies mainą, išsaugodamas kristalinės gardelės vientisumą — efektyviai suteikdamas medžiagai valdomą „kvėpavimo“ elgseną. Toks stabilumo, grįžtamumo ir praktiškų darbinės temperatūros sąlygų derinys daro šią medžiagą perspektyvia kuro elementams, terminėms tranzistoriams, adaptuojamiems langams ir kitoms išmaniosioms, energetiškai efektyvioms technologijoms. Tolimesni bandymai, mastelio didinimas ir įrenginių integracija nulems, kaip greitai šis laboratorinis pasiekimas transformuosis į komercines ar pramonines taikymo sritis.
Quelle: sciencedaily
Kommentare