4 Minutės
Aptiktas naujas deguonimi „kvėpuojantis“ kristalas
Tarptautinė komanda iš Korėjos ir Japonijos sukūrė kristalinį metalinį oksidą, galintį pakartotinai išlaisvinti ir sugerti deguonį santykinai žemoje temperatūroje — savybė, primenanti „kvėpavimą“. Medžiaga, sudaryta iš stroncio, geležies ir kobalto, atlieka grįžtamą deguonies mainų procesą nesugriaudama struktūros, atverdama galimybes švarios energijos įrenginiams ir adaptacinei elektronikai. Autorius: Prof. Hyoungjeen Jeen iš Pusan nacionalinio universiteto, Korėja
Atrasta, vadovaujant profesoriui Hyoungjeen Jeen (Fizikos katedra, Pusan nacionalinis universitetas) kartu su bendraautoriu profesoriumi Hiromichi Ohta (Research Institute for Electronic Science, Hokkaido University), publikuota Nature Communications (2025 m. rugpjūčio 15 d.). Komanda parodė, kad oksidas išskiria deguonį esant vidutinei kaitinimo temperatūrai paprastoje dujinėje aplinkoje, o vėliau vėl prisijungia deguonį, kai sąlygos pasikeičia — tai visiškai grįžtamas procesas, atlaikantis daug ciklų.
Mokslinis pagrindas ir kodėl svarbi deguonies kontrolė
Deguonies kiekio valdymas kietose medžiagose yra esminė funkcija daugeliui technologijų. Kietojo oksido kuro elementuose (SOFC) deguonies jonų judėjimas per metalinius oksidus leidžia efektyviai paversti vandenilį elektra su mažomis emisijomis. Šiluminiai tranzistoriai — įrenginiai, kurie reguliuoja šilumos srautą analogiškai elektroniniams tranzistoriams — taip pat priklauso nuo medžiagų, kurių šiluminė laidumo savybė kinta priklausomai nuo deguonies stoichiometrijos. Išmanieji langai, dinamiškai keičiantys šilumos perdavimą, gali naudoti panašius deguonies reaguojančius mechanizmus prisitaikymui prie oro sąlygų ir pastatų energijos suvartojimo mažinimui.
Kas šį kristalą išskiria?
Anksčiau tyrinėtos deguonies mainų medžiagos dažnai reikalavo ekstremalių temperatūrų arba degraduodavo po daugelio ciklų. Naujas stroncio–geležies–kobalto oksidas išsiskiria tuo, kad deguonies išlaisvinimo metu redukuojasi tik kobalto jonai, o atomų pertvarka suformuoja naują, bet stabilų kristalinį fazės variantą, o ne sunaikina tinklą. Svarbu, kad deguonies sugrąžinimas atkūria pradinę kristalinę struktūrą, patvirtinant tikrą grįžtamumą — tai esminis reikalavimas praktiniams pritaikymams.
Implikacijos, taikymai ir eksperimentiniai akcentai
Pagrindinės implikacijos yra:
- Švari energetika: geresnės deguonį valdančios medžiagos gali padidinti SOFC efektyvumą, ilgaamžiškumą ir sumažinti darbinę temperatūrą.
- Išmaniosios šiluminės sistemos: medžiagos, kurių šiluminis perdavimas priklauso nuo deguonies kiekio, gali įgalinti šiluminę logiką ir adaptacinę izoliaciją.
- Elektronika ir statybinės medžiagos: grįžtamas deguonies mainas galėtų leisti naujas nevolatilios atminties koncepcijas, jutiklius ir energiją taupančias architektūrines dangas.
Tyrimas apjungė kruopščią stroncio–geležies–kobalto oksido sintezę, kontroliuojamus kaitinimo eksperimentus dujinėje aplinkoje ir struktūrinę charakterizaciją, fiksuojančią jonų valencijas ir kristalo fazių pokyčius. Komanda pabrėžia, kad medžiaga išlieka nepažeista per pakartotinius ciklus ir veikia švelnesnėmis, praktiškesnėmis sąlygomis nei dauguma ankstesnių kandidatų.
„Tai kaip suteikti kristalui plaučius: jis gali įkvėpti ir iškvėpti deguonį pagal komandą“, — sako prof. Jeen, apibendrindamas atradimo naujumą. Prof. Ohta priduria: „Tai svarbus žingsnis link išmanių medžiagų, kurios gali realiu laiku prisitaikyti.“ Jų darbas atskleidžia tiek pereinamųjų metalų redokschemijos pagrindines įžvalgas, tiek aiškų technologinį potencialą.
Ekspertų įžvalga
Dr. Elena Park (nepriklausoma medžiagų mokslininkė, fiktyvi) komentuoja: „Grįžtamas deguonies mainas esant žemoms temperatūroms struktūriškai tvirtame okside yra retas reiškinys. Jei mastelio didinimas išsaugos šias savybes, medžiaga galėtų sumažinti kuro elementų darbinę temperatūrą ir leisti kompaktiškus šilumos jungiklius. Kitas žingsnis — ilgalaikiai cikliniai bandymai taikymams tinkamomis sąlygomis ir plonų plėvelių integracija į prietaisus.“
Išvados
Stroncio–geležies–kobalto oksidas, aptiktas Korėjos ir Japonijos mokslininkų, demonstruoja grįžtamą, žematemperatūrį deguonies mainą, išsaugodamas kristalo vientisumą — praktiškai suteikdamas medžiagai valdomą „kvėpavimo“ elgseną. Šis stabilumo, grįžtamumo ir praktiškų darbinės temperatūros sąlygų derinys daro ją perspektyviu kandidatu kuro elementams, šilumos tranzistoriams, adaptaciniams langams ir kitoms išmanioms, energetiškai efektyvioms technologijoms. Tolimesni bandymai, mastelio didinimas ir prietaisų integracija nulems, kaip greitai šis laboratorinis pasiekimas pereis į komercinį ar pramoninį lygmenį.
Šaltinis: sciencedaily
Komentarai