Nowy materiał energetyczny wytrzymuje piekło. To niemal rekord

Materiał energetyczny powinien uwalniać ogromną ilość energii wtedy, gdy tego chcemy, ale pozostać stabilny podczas przechowywania i pracy urządzenia. Jest to jednak szczególnie trudne w silnikach rakietowych, systemach zapłonowych i urządzeniach pracujących głęboko pod ziemią, gdzie temperatura może mocno rosnąć. Chińscy naukowcy stworzyli perowskit energetyczny DAP-DM4, którego rozkład zaczyna się dopiero przy 373,5°C. To jeden z najwyższych wyników zanotowanych dotąd dla tej klasy materiałów.

DAP-DM4 nie został przez badaczy rozgrzany do 373,5°C, a następnie pozostawiony w takich warunkach przez wiele godzin jako całkowicie stabilny materiał. Wartość ta tak naprawdę oznacza temperaturę początku rozkładu zmierzoną podczas analizy termicznej.

To bardzo istotna różnica. Temperatura rozkładu mówi, kiedy struktura związku zaczyna ulegać gwałtownym przemianom chemicznym, ale nie jest automatycznie maksymalną temperaturą eksploatacji gotowego urządzenia. Ta musiałaby zostać określona osobno z odpowiednim marginesem bezpieczeństwa i po znacznie dłuższych testach.

Sam wynik nadal robi jednak wrażenie. DAP-DM4 zaczyna się rozkładać przy temperaturze o 15,1°C wyższej niż materiał DAP-4, z którego został wyprowadzony, oraz o 9,8°C wyższej niż jego wcześniej opracowana, pojedynczo metylowana odmiana DAP-M4. Autorzy pracy zaliczają 373,5°C do najwyższych temperatur rozkładu osiąganych przez energetyczne materiały perowskitowe.

Perowskit może kojarzyć się nam przede wszystkim z fotowoltaiką. Na Spider’s Web opisywaliśmy wielokrotnie ogniwa perowskitowe, w których odpowiednio zaprojektowana struktura krystaliczna świetnie radzi sobie z pochłanianiem światła i zamianą jego energii w elektryczność.

Perowskit jest jednak przede wszystkim określeniem pewnego rodzaju struktury materiału. Jej dużą zaletą jest możliwość wymieniania poszczególnych składników i dostrajania właściwości całej sieci krystalicznej. W perowskitach energetycznych tę samą elastyczność wykorzystuje się do zupełnie innego celu, a mianowicie do połączenia dużej zawartości energii z odpowiednią stabilnością termiczną i mechaniczną.

Badacze z Northwestern Polytechnical University w Xi’an pracowali na materiale należącym do rodziny DAP-4. Jego strukturę można w uproszczeniu traktować jak układ klocków, w którym zmiana jednego elementu potrafi wpłynąć na zachowanie całej konstrukcji. W tym przypadku wystarczyła stosunkowo niewielka modyfikacja chemiczna jednego ze składników.

W materiale DAP-4 obecne były wiązania N-H, czyli połączenia azotu z wodorem. Analizy wcześniejszych wariantów wskazywały, że właśnie te miejsca są szczególnie podatne na rozpoczęcie procesu rozkładu podczas ogrzewania.

Naukowcy postanowili je więc chemicznie wyłączyć. Wprowadzając dwie grupy metylowe do organicznego składnika materiału, usunęli nietrwałe wiązania N-H. Autorzy określają ten proces jako pasywację podatnych miejsc.

Zmiana była niewielka na poziomie cząsteczki, ale jej konsekwencje objęły cały kryształ. Po dodaniu kolejnych grup metylowych organiczny fragment wyraźnie zwiększył swoją objętość. Po podwójnej metylacji stał się już na tyle duży, że przestał dobrze pasować do dotychczasowej trójwymiarowej sieci krystalicznej. W efekcie materiał przebudował swoją strukturę.

DAP-4 oraz jego pierwsza metylowana wersja tworzą trójwymiarowy szkielet perowskitowy. Po dodaniu drugiej grupy metylowej większe fragmenty cząsteczki zaczęły jednak wzajemnie sobie przeszkadzać, a dotychczasowy układ przestał być stabilny. DAP-DM4 przyjął zamiast tego strukturę jednowymiarową. W krysztale powstały wydłużone łańcuchy poprzedzielane organicznymi składnikami.

Nie jest to jedynie ciekawostka dotycząca budowy kryształu. Tak naprawdę to właśnie ta zmiana pomaga wyjaśnić drugą ważną właściwość materiału: jego zachowanie podczas tarcia. W klasycznej trójwymiarowej sieci kolejne fragmenty struktury są stosunkowo mocno połączone. W DAP-DM4 oddziaływania pomiędzy sąsiednimi łańcuchami są słabsze, dzięki czemu pod wpływem siły mogą one częściowo przesuwać się względem siebie. Część energii mechanicznej zostaje wtedy rozproszona, zamiast koncentrować się w jednym punkcie materiału.

W testach wrażliwości na tarcie DAP-DM4 osiągnął wartość 54 N. Im wyższa wartość potrzebnej siły, tym trudniej wywołać niepożądaną reakcję materiału samym tarciem, więc w tym parametrze nowa struktura okazała się wyraźnie korzystniejsza od wcześniejszych odmian.

Badacze wiążą to właśnie ze zdolnością jednowymiarowych łańcuchów do niewielkich przesunięć. Wraz z metylacją zmniejsza się liczba silnych wiązań wodorowych pomiędzy elementami struktury, a rośnie udział słabszych oddziaływań van der Waalsa. Kryształ staje się przez to bardziej podatny na mechaniczne ślizganie.

Nie powstał więc materiał energetyczny niewrażliwy na wszystko. DAP-DM4 wykazał wrażliwość na uderzenie wynoszącą 0,75 J, którą autorzy określają jako stosunkowo wysoką. Osłabienie sztywnej sieci poprawiło więc zachowanie przy tarciu, ale jednocześnie pogorszyło odporność na inny rodzaj bodźca mechanicznego.

Przeczytaj także:

Przy projektowaniu materiałów energetycznych samo podniesienie temperatury rozkładu nie wystarcza. Materiał trzeba jeszcze przechowywać, transportować, obrabiać i wbudować w urządzenie bez nieakceptowalnego ryzyka niekontrolowanej reakcji.

*Źródło grafiki wprowadzającej: AI / Canva Pro