Raziskovalni projekt (so)financira Javna agencija za raziskovalno dejavnost RS.
Članica UL: Fakulteta za matematiko in fiziko
Šifra projekta: J1-7032
Naziv projekta: Visokoentropijske kovinske spojine
Obdobje: 1.1.2016 - 31.12.2018
Letni obseg: 1,45 FTE, cenovna kategorija: D
Vodja: Dolinšek Janez
Veda: Naravoslovje
Sodelujoče RO: sodelujoče RO
Sestava projektne skupine: link na SICRIS
Bibliografske reference: link na SICRIS
Vsebinski opis projekta :
V zadnjih letih so bile razvite konceptualno nove kovinske zlitine, sestavljene iz več večinskih kemijskih elementov v enakih ali približno enakih molarnih razmerjih. Te zlitine so bile poimenovane visokoentropijske kovinske spojine (ang. High-Entropy Alloys - HEA). Velika mešalna entropija, ki je posledica slučajnega mešanja kemijskih elementov na kristalni mreži, stabilizira kemijsko neurejeno trdno raztopino s preprosto kristalno strukturo, kot sta npr. telesno centrirana kubična (bcc) in ploskovno centrirana kubična (fcc) mreža. V primerjavi z urejenimi kristalnimi intermetalnimi spojinami, ki imajo velikokrat ogromno osnovno celico, imajo HEA zlitine majhno osnovno celico. Za strukturo HEA zlitin je značilna topološko urejena kristalna mreža z izjemno velikim kemijskim neredom zaradi naključne razporeditve atomov različnih kemijskih elementov na mrežnih mestih, zato lahko HEA zlitino smatramo kot "kovinsko steklo na urejeni kristalni mreži". Veliko entropijo mešanja dosežemo v zlitinah sestavljenih iz petih ali več kemijskih elementov v primerljivih koncentracijah, to je med 5 in 35 atomskih odstotkov za vsak element, hkrati pa nobeden izmed elementov ne sme preseči koncentracije 50 %. Primeri HEA zlitin so sistemi Al-Si-Co-Cr-Cu-Fe-Mn-Ni-Ti, W-Nb-Mo-Ta-V in Ta-Nb-Hf-Zr-Ti. HEA zlitine je možno sestaviti iz velike množice različnih kemijskih elementov, katerih koncentracije lahko precej poljubno spreminjamo v širokem intervalu. Zato je število različnih možnih HEA zlitin praktično neomejeno. Kljub temu so doslej raziskali le okrog deset HEA zlitin, zato je področje še skoraj povsem neraziskano. Leta 2014 je raziskovalni skupini prof. J. Dolinška (vodji projekta) uspel mednarodni preboj na tem področju - odkritje prve superprevodne HEA zlitine Ta-Nb-Hf-Zr-Ti (P. Koželj et al., Phys. Rev. Lett. 113, 107001 (2014)).
Cilji projekta so: (1) sinteza, določitev strukture in meritve električnih, magnetnih ter termičnih fizikalnih lastnosti novih HEA zlitin s telesno centrirano kubično strukturo v sistemih Ta-Nb-Hf-Zr-Ti, Zr-Ti-V-Cr-Fe-Ni in Al-Co-Cr-Cu-Fe-Ni; (2) razviti in raziskati želimo prvo HEA zlitino s heksagonalno strukturo, sestavljeno iz lantanidov (redkih zemelj) Ce-Ho-Dy-Y-Lu-Gd-Tb. Ker ima večina lantanidov velike atomske magnetne momente, pričakujemo nekonvencionalne magnetne lastnosti, v cerijevih zlitinah pa tudi električno prevodnost značilno za težke fermione in pojave povezane s spinskimi fluktuacijami; (3) nameravamo tudi teoretično modelirati lastnosti trdnih snovi z geometrijsko urejeno kristalno strukturo in istočasno velikim kemijskim (substitucijskim) neredom.
Ker v literaturi skoraj ne najdemo poročil o fizikalnih lastnostih HEA zlitin, s projektom odpiramo novo področje raziskav - fiziko trdne snovi, ki jo določa izredno velik kemijski nered na sicer topološko dobro urejeni mreži. Pričakovan rezultat naših raziskav je razvoj HEA zlitin z novimi - izboljšanimi fizikalnimi lastnostmi za uporabo v elektroniki, magnetizmu in pri magnetokaloričnih aplikacijah.
V projekt so vključeni raziskovalci in tehnično osebje treh uglednih slovenskih raziskovalno-pedagoških inštitucij: (1) Oddelek za fiziko Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, (2) Odsek za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan in (3) Institut za matematiko, fiziko in mehaniko, v sodelovanju z "Jülich Research Center" iz Nemčije, ETH Zürich iz Švice in Univerzo Chalmers na Švedskem.
Faze projekta in njihova realizacija:
Delo v okviru projekta je razdeljeno na štiri delovne sklope:
- Delovni sklop I (DS I): Visokoentropijske spojine iz prehodnih elementov z bcc strukturo CoCrFeNiZrx (x = 0.40, 0.45, 0.50) in CrCuFeNi2Alx (x = 1.0, 1.2, 1.4).
- Delovni sklop II (DS II): Superprevodnost v Ta-Nb-Hf-Zr-Ti bcc visokoentropijskih zlitinah.
- Delovni sklop III (DS III): Heksagonalne visokoentropijske zlitine iz redkih zemelj.
- Delovni sklop IV (DS IV): Teoretični opis fizikalnih lastnosti visokoentropijskih zlitin.
