210 ■ Proteus 86/5 • Januar 2024 211Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti • KemijaKemija • Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti Tina Skalar, Marjan Marinšek Materiali z visoko entropijo (angleško High entropy materials, HEM) so poznani že nekaj desetletij. Šele v zadnjih letih pa sta se povečala njihova prepoznavnost v svetu in zani- manje zanje tudi na raziskovalnem področju. Zadnje je v veliki meri posledica potrebe po iskanju novih materialov predvsem na področju izkoriščanja obnovljivih virov in razvoja za to potrebne infrastrukture. Materiale z visoko entropijo lahko uporabimo v najrazličnejše namene, povezane s katalizo, baterijami in podobnimi materiali za shranjevanje energije. Na tem mestu najbrž ni treba posebej poudarjati pomena tovrstnega razvoja za čim hitrejši in učinkovitejši zeleni prehod in s tem zmanjševanje odvisnosti od fosilnih goriv. Življenje ljudi je v veliki meri odvisno od materialov, ki jih človeške združbe upora- bljajo. Prav tako pa je tudi napredek člove- ške civilizacije odvisen od razvoja materia- lov (slika 1). V začetku so ljudje uporabljali predvsem materiale, ki so jih našli v naravi - od kamna, lesa, usnja in kosti do prvotnih površinsko lahko dostopnih kovin (zlata, srebra, bakra). Že v kameni dobi so ljudje z obdelovanjem glin na osnovi alumosilikatov (soli aluminijevega in silicijevega oksida s kovino) pripravili materiale, ki so jih v tako imenovanem zelenem stanju z lahkoto obli- kovali, po žganju (toplotni obdelavi) pa so iz njih lahko pripravili utrjene in uporabne izdelke (na primer posode za shranjevanje živil). Drugače povedano, v tistem času so začeli uporabljati posebej pripravljene kera- mične materiale. Kasneje so se ljudje naučili iz Zemljinega bogastva izločevati železo in baker ter ju ločeno uporabljati pri zadovo- ljevanju potreb vsakdanjega življenja. V bronasti dobi so bakru dodajali kositer in s tem dobili trajnejši in uporabnejši material. Železna doba, ki je sledila bronasti dobi, je postala zibelka jeklarske industrije. Orodje in orožje iz železa so izboljšali z dodatkom ogljika. S kopičenjem znanja so ljudje nato ugotovili, da je lastnosti končnega materiala mogoče izboljšati, če osnovnemu elementu v manjši količini primešajo tudi druge ele- mente (temu danes pravimo priprava zlitin). Ideja o mešanju različnih kovinskih sestavin tako ni tako nova, kot bi si mislili. Kdo bi verjel, da so že pred tisočletji poznali neka- tere zakonitosti o mešanju različnih kovin- skih elementov ali sestavin in tako ustvarjali končni material, ki je imel boljše lastnosti od prvotnih surovin. Različne železove, ni- kljeve in aluminijeve zlitine še vedno upo- rabljamo tudi danes. V zadnjem stoletju v metalurgiji prevladujejo posebna jekla, super zlitine, zlitine na osnovi titana in aluminija, kovinska stekla, intermetalne spojine, kom- poziti … Vendar pa vse bolj postaja jasno, da tudi ti materiali niso več uporabni v bi- omedicini, iz njih ni več mogoče izdelovati ultratankih elektronskih sestavnih delov in podobno. Leta 2004 sta bila objavljena dva neodvisna znanstvena članka, kjer sta bila kot avtor- ja podpisana Yeh in sodelavci ter Cantor in sodelavci (Yeh, Chen, Lin in sod., 2004; Cantor, Chang, Knight in sod., 2004). V člankih opisujeta pripravo večkomponen- tne zlitine, sestavljene iz dvajsetih oziroma šestnajstih različnih elementov. Rezultati so bili presenetljivi, saj so namesto pričakovane steklaste faze dobili večfazni, kristalinični proizvod, ki je kazal krhkost. Prevladujoča faza je imela ploskovno centrirano kubično celico (PCK) (angleško face-centered cubic, FCC), kjer je bilo prisotnih veliko elemen- tov, predvsem kovin prehoda. Pri tem so ugotovili, da je bilo skupno število faz v sistemu manjše od ravnotežnega števila faz, izračunanim iz Gibbsovega faznega pravila. Entropija mešanja je namreč za zlitine, se- stavljene iz petih ali več elementov, visoka, kar nakazuje tendenco nastajanja naključne trdne raztopine. Zaradi tega so tem zliti- nam nadeli posebno ime - zlitine z visoko entropijo. V isti raziskavi so ugotovili tudi, da imajo tovrstni materiali izboljšane neka- tere funkcionalne lastnosti: visoko trdoto, odpornost proti zmehčanju ter odpornost proti oksidaciji in obrabi. Posledično jih za- to lahko uporabljamo v agresivnejših in bolj zahtevnih okoljih: na primer orodja, kalupe, matrice, korozijsko odporni deli z visoko trdoto v kemijskih tovarnah, livarnah, inte- griranih vezjih … Med materiale z visoko entropijo uvrščamo poleg zlitin z visoko entropijo (high entropy alloys, HEA) tudi keramiko z visoko entro- pijo (high entropy ceramic, HEC), okside z visoko entropijo (high entropy oxides, HEO), nitride z visoko entropijo, karbide z visoko entropijo in druge materiale z visoko konfi- guracijsko entropijo. Entropija je pojem, znan v termodinamiki, informatiki in tudi sociologiji. V védi o ma- terialih z njim opisujemo urejenost sistemov. Kot sistem lahko, splošno gledano, obrav- navamo katero koli okolje. Otroška soba na primer je lahko lepo pospravljena ali pa razmetana, neurejena. Atomi nekega mate- riala lahko sprva sestavljajo urejeno kristal- no zgradbo, kateri z dodajanjem vse več in več različnih elementov narašča entropija, z drugimi besedami, zgradba z vsakim dodat- kom postaja vse bolj neurejena. Prav za to pri materialih z visoko entropijo, poenosta- vljeno povedano, gre: z dodajanjem različnih elementov v že urejeni sistem povečujemo nered in s tem materialu povečamo entropi- jo (Brechtl, Liaw, 2021). Po def iniciji, ki temelji na sestavi, med materiale z visoko entropijo prištevamo ti- ste, ki vsebujejo vsaj pet glavnih elementov, katerih atomski delež se giblje od 35 do 5 odstotkov. Taki materiali imajo več tako Slika 1: Shema inženirstva materialov. 210 ■ Proteus 86/5 • Januar 2024 211Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti • KemijaKemija • Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti Tina Skalar, Marjan Marinšek Materiali z visoko entropijo (angleško High entropy materials, HEM) so poznani že nekaj desetletij. Šele v zadnjih letih pa sta se povečala njihova prepoznavnost v svetu in zani- manje zanje tudi na raziskovalnem področju. Zadnje je v veliki meri posledica potrebe po iskanju novih materialov predvsem na področju izkoriščanja obnovljivih virov in razvoja za to potrebne infrastrukture. Materiale z visoko entropijo lahko uporabimo v najrazličnejše namene, povezane s katalizo, baterijami in podobnimi materiali za shranjevanje energije. Na tem mestu najbrž ni treba posebej poudarjati pomena tovrstnega razvoja za čim hitrejši in učinkovitejši zeleni prehod in s tem zmanjševanje odvisnosti od fosilnih goriv. Življenje ljudi je v veliki meri odvisno od materialov, ki jih človeške združbe upora- bljajo. Prav tako pa je tudi napredek člove- ške civilizacije odvisen od razvoja materia- lov (slika 1). V začetku so ljudje uporabljali predvsem materiale, ki so jih našli v naravi - od kamna, lesa, usnja in kosti do prvotnih površinsko lahko dostopnih kovin (zlata, srebra, bakra). Že v kameni dobi so ljudje z obdelovanjem glin na osnovi alumosilikatov (soli aluminijevega in silicijevega oksida s kovino) pripravili materiale, ki so jih v tako imenovanem zelenem stanju z lahkoto obli- kovali, po žganju (toplotni obdelavi) pa so iz njih lahko pripravili utrjene in uporabne izdelke (na primer posode za shranjevanje živil). Drugače povedano, v tistem času so začeli uporabljati posebej pripravljene kera- mične materiale. Kasneje so se ljudje naučili iz Zemljinega bogastva izločevati železo in baker ter ju ločeno uporabljati pri zadovo- ljevanju potreb vsakdanjega življenja. V bronasti dobi so bakru dodajali kositer in s tem dobili trajnejši in uporabnejši material. Železna doba, ki je sledila bronasti dobi, je postala zibelka jeklarske industrije. Orodje in orožje iz železa so izboljšali z dodatkom ogljika. S kopičenjem znanja so ljudje nato ugotovili, da je lastnosti končnega materiala mogoče izboljšati, če osnovnemu elementu v manjši količini primešajo tudi druge ele- mente (temu danes pravimo priprava zlitin). Ideja o mešanju različnih kovinskih sestavin tako ni tako nova, kot bi si mislili. Kdo bi verjel, da so že pred tisočletji poznali neka- tere zakonitosti o mešanju različnih kovin- skih elementov ali sestavin in tako ustvarjali končni material, ki je imel boljše lastnosti od prvotnih surovin. Različne železove, ni- kljeve in aluminijeve zlitine še vedno upo- rabljamo tudi danes. V zadnjem stoletju v metalurgiji prevladujejo posebna jekla, super zlitine, zlitine na osnovi titana in aluminija, kovinska stekla, intermetalne spojine, kom- poziti … Vendar pa vse bolj postaja jasno, da tudi ti materiali niso več uporabni v bi- omedicini, iz njih ni več mogoče izdelovati ultratankih elektronskih sestavnih delov in podobno. Leta 2004 sta bila objavljena dva neodvisna znanstvena članka, kjer sta bila kot avtor- ja podpisana Yeh in sodelavci ter Cantor in sodelavci (Yeh, Chen, Lin in sod., 2004; Cantor, Chang, Knight in sod., 2004). V člankih opisujeta pripravo večkomponen- tne zlitine, sestavljene iz dvajsetih oziroma šestnajstih različnih elementov. Rezultati so bili presenetljivi, saj so namesto pričakovane steklaste faze dobili večfazni, kristalinični proizvod, ki je kazal krhkost. Prevladujoča faza je imela ploskovno centrirano kubično celico (PCK) (angleško face-centered cubic, FCC), kjer je bilo prisotnih veliko elemen- tov, predvsem kovin prehoda. Pri tem so ugotovili, da je bilo skupno število faz v sistemu manjše od ravnotežnega števila faz, izračunanim iz Gibbsovega faznega pravila. Entropija mešanja je namreč za zlitine, se- stavljene iz petih ali več elementov, visoka, kar nakazuje tendenco nastajanja naključne trdne raztopine. Zaradi tega so tem zliti- nam nadeli posebno ime - zlitine z visoko entropijo. V isti raziskavi so ugotovili tudi, da imajo tovrstni materiali izboljšane neka- tere funkcionalne lastnosti: visoko trdoto, odpornost proti zmehčanju ter odpornost proti oksidaciji in obrabi. Posledično jih za- to lahko uporabljamo v agresivnejših in bolj zahtevnih okoljih: na primer orodja, kalupe, matrice, korozijsko odporni deli z visoko trdoto v kemijskih tovarnah, livarnah, inte- griranih vezjih … Med materiale z visoko entropijo uvrščamo poleg zlitin z visoko entropijo (high entropy alloys, HEA) tudi keramiko z visoko entro- pijo (high entropy ceramic, HEC), okside z visoko entropijo (high entropy oxides, HEO), nitride z visoko entropijo, karbide z visoko entropijo in druge materiale z visoko konfi- guracijsko entropijo. Entropija je pojem, znan v termodinamiki, informatiki in tudi sociologiji. V védi o ma- terialih z njim opisujemo urejenost sistemov. Kot sistem lahko, splošno gledano, obrav- navamo katero koli okolje. Otroška soba na primer je lahko lepo pospravljena ali pa razmetana, neurejena. Atomi nekega mate- riala lahko sprva sestavljajo urejeno kristal- no zgradbo, kateri z dodajanjem vse več in več različnih elementov narašča entropija, z drugimi besedami, zgradba z vsakim dodat- kom postaja vse bolj neurejena. Prav za to pri materialih z visoko entropijo, poenosta- vljeno povedano, gre: z dodajanjem različnih elementov v že urejeni sistem povečujemo nered in s tem materialu povečamo entropi- jo (Brechtl, Liaw, 2021). Po def iniciji, ki temelji na sestavi, med materiale z visoko entropijo prištevamo ti- ste, ki vsebujejo vsaj pet glavnih elementov, katerih atomski delež se giblje od 35 do 5 odstotkov. Taki materiali imajo več tako Slika 1: Shema inženirstva materialov. 212 ■ Proteus 86/5 • Januar 2024 213Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti • KemijaKemija • Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti imenovanih glavnih elementov, ki so zasto- pani v večjem deležu (Zhou, Xiang, Dai, 2023). Druga definicija materialov z viso- ko entropijo pa izvira iz entropije mešanja (imenovane tudi konfiguracijske entropije) in Boltzmannove definicije entropije (enač- ba 1), kjer je k Boltzmannova konstanta, w pa termodinamska verjetnost (Zhou, Xiang, Dai, 2023). (Enačba 1) Termodinamska verjetnost predstavlja celo- kupno število možnih mikroskopskih stanj, ki ustrezajo istemu makroskopskemu stanju. Če ta vrednost narašča, narašča tudi kon- f iguracijska entropija sistema. Za idealno trdno raztopino, sestavljeno iz i komponent, velja enačba 2, kjer je R plinska konstanta, ni množina v molih in Xi molski delež po- sameznega elementa. (Enačba 2) Entropija mešanja doseže največjo vre- dnost, ko je razmerje med elementi ekvi- molarno. Profesor dr. Jien-Wei Yeh (Yeh, Chen, Lin in sod., 2004) z Nacionalne taj- vanske univerze je izračunal konfiguracijske entropije zlitin, ki vsebujejo do trinajst raz- ličnih elementov v ekvimolarnem razmerju. Izračunana velikost entropij je bila podlaga za razvrstitev zlitin v tri razrede: zlitine z nizko entropijo (sem uvrščamo tradicionalne zlitine), zlitine s srednjo entropijo in zlitine z visoko entropijo (slika 2). Na podlagi osnovnih raziskav so v nadalje- vanju povzeli štiri glavne učinke za zlitine z visoko entropijo: i) termodinamski učinek (visokoentropijski učinek), ii) strukturni uči- nek (popačenje mreže - kristalne strukture), iii) kinetični učinek (počasna difuzija) in iv) tako imenovani koktajl učinek (Yeh, 2016). Visokoentropijski učinek Visokoentropijski učinek (Pan, Liu, Tu in sod., 2023) je najpomembnejši (vendar ne edini) vzrok za tvorbo materialov z visoko entropijo. Spodbuja tvorbo trdnih raztopin z naključno sestavo in enostavno kristalno strukturo. Ravnotežno stanje v materialih z visoko entropijo dosežemo, ko je prosta energija mešanja (∆Gmix) najmanjša. Odvi- sna je od entalpije mešanja (∆Hmix) in en- tropije mešanja (∆Smix) po enačbi 3. (Enačba 3) Visoka entropija mešanja znatno poveča območje medsebojne topnosti faz v končni večelementni trdni raztopini. Nastanek ma- terialov z visoko entropijo v skladu z Gibb- sovim faznim pravilom, ki pravi, da število faz v ravnotežju narašča s številom kompo- nent, pravzaprav zmanjša število faz, priso- tnih v sistemu. Trdna raztopina materialov z visoko entropijo je torej sestavljena iz ele- menta, ki je topilo, in enega ali več drugih elementov kot topljencev. V primeru materi- alov z visoko entropijo pa so elementi v ek- vimolarnem razmerju in je težko med njimi določiti topljence in topilo. Raziskovalci so eksperimentalno potrdili, da je število de- jansko tvorjenih faz pri materialih z viso- ko entropijo v resnici manjše od teoretične vrednosti, izračunane z Gibbsovim faznim pravilom (Zhang, Zhou, Hui, in sod., 2008; George, Raabe, Ritchie, 2019). Strukturni učinek popačenja mreže Materiali imajo različne razporeditve ato- mov v prostoru. Če je material kristaliničen, se neki osnovni vzorec razporeditve atomov, določen v majhnem volumenskem elemen- tu – osnovni celici, ponavlja povsod v kri- stalu. Popačenje mreže (dejansko popačenje osnovne celice), ki se zgodi v materialih z visoko entropijo, je posledica kombinacije naključne porazdelitve gradnikov (na pri- mer atomov) z različnimi velikostmi, nji- hove različne elektronegativnosti ali dolžine Slika 2: Razvrstitev zlitin z visoko entropijo glede na velikost entropije. Slika 3: a) Prikaz razporeditve ionov v nikljevem oksidu, b) prikaz možne razporeditve ionov v materialu z visoko entropijo (Mg0,2Co0,2Ni0,2Cu0,2Zn0,2)O. 212 ■ Proteus 86/5 • Januar 2024 213Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti • KemijaKemija • Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti imenovanih glavnih elementov, ki so zasto- pani v večjem deležu (Zhou, Xiang, Dai, 2023). Druga definicija materialov z viso- ko entropijo pa izvira iz entropije mešanja (imenovane tudi konfiguracijske entropije) in Boltzmannove definicije entropije (enač- ba 1), kjer je k Boltzmannova konstanta, w pa termodinamska verjetnost (Zhou, Xiang, Dai, 2023). (Enačba 1) Termodinamska verjetnost predstavlja celo- kupno število možnih mikroskopskih stanj, ki ustrezajo istemu makroskopskemu stanju. Če ta vrednost narašča, narašča tudi kon- f iguracijska entropija sistema. Za idealno trdno raztopino, sestavljeno iz i komponent, velja enačba 2, kjer je R plinska konstanta, ni množina v molih in Xi molski delež po- sameznega elementa. (Enačba 2) Entropija mešanja doseže največjo vre- dnost, ko je razmerje med elementi ekvi- molarno. Profesor dr. Jien-Wei Yeh (Yeh, Chen, Lin in sod., 2004) z Nacionalne taj- vanske univerze je izračunal konfiguracijske entropije zlitin, ki vsebujejo do trinajst raz- ličnih elementov v ekvimolarnem razmerju. Izračunana velikost entropij je bila podlaga za razvrstitev zlitin v tri razrede: zlitine z nizko entropijo (sem uvrščamo tradicionalne zlitine), zlitine s srednjo entropijo in zlitine z visoko entropijo (slika 2). Na podlagi osnovnih raziskav so v nadalje- vanju povzeli štiri glavne učinke za zlitine z visoko entropijo: i) termodinamski učinek (visokoentropijski učinek), ii) strukturni uči- nek (popačenje mreže - kristalne strukture), iii) kinetični učinek (počasna difuzija) in iv) tako imenovani koktajl učinek (Yeh, 2016). Visokoentropijski učinek Visokoentropijski učinek (Pan, Liu, Tu in sod., 2023) je najpomembnejši (vendar ne edini) vzrok za tvorbo materialov z visoko entropijo. Spodbuja tvorbo trdnih raztopin z naključno sestavo in enostavno kristalno strukturo. Ravnotežno stanje v materialih z visoko entropijo dosežemo, ko je prosta energija mešanja (∆Gmix) najmanjša. Odvi- sna je od entalpije mešanja (∆Hmix) in en- tropije mešanja (∆Smix) po enačbi 3. (Enačba 3) Visoka entropija mešanja znatno poveča območje medsebojne topnosti faz v končni večelementni trdni raztopini. Nastanek ma- terialov z visoko entropijo v skladu z Gibb- sovim faznim pravilom, ki pravi, da število faz v ravnotežju narašča s številom kompo- nent, pravzaprav zmanjša število faz, priso- tnih v sistemu. Trdna raztopina materialov z visoko entropijo je torej sestavljena iz ele- menta, ki je topilo, in enega ali več drugih elementov kot topljencev. V primeru materi- alov z visoko entropijo pa so elementi v ek- vimolarnem razmerju in je težko med njimi določiti topljence in topilo. Raziskovalci so eksperimentalno potrdili, da je število de- jansko tvorjenih faz pri materialih z viso- ko entropijo v resnici manjše od teoretične vrednosti, izračunane z Gibbsovim faznim pravilom (Zhang, Zhou, Hui, in sod., 2008; George, Raabe, Ritchie, 2019). Strukturni učinek popačenja mreže Materiali imajo različne razporeditve ato- mov v prostoru. Če je material kristaliničen, se neki osnovni vzorec razporeditve atomov, določen v majhnem volumenskem elemen- tu – osnovni celici, ponavlja povsod v kri- stalu. Popačenje mreže (dejansko popačenje osnovne celice), ki se zgodi v materialih z visoko entropijo, je posledica kombinacije naključne porazdelitve gradnikov (na pri- mer atomov) z različnimi velikostmi, nji- hove različne elektronegativnosti ali dolžine Slika 2: Razvrstitev zlitin z visoko entropijo glede na velikost entropije. Slika 3: a) Prikaz razporeditve ionov v nikljevem oksidu, b) prikaz možne razporeditve ionov v materialu z visoko entropijo (Mg0,2Co0,2Ni0,2Cu0,2Zn0,2)O. 214 ■ Proteus 86/5 • Januar 2024 215Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti • KemijaKemija • Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti medčlenskih vezi. Če primerjamo struktu- ro nikljevega oksida (NiO), ki je na sliki 3a, s strukturo materiala z visoko entropi- jo ((Mg0,2Co0,2Ni0,2Cu0,2Zn0,2)O) na sliki 3b, je razlika očitna. Pri nikljevem oksidu se iona elementov niklja (Ni2+) in kisika (O2-) izmenično vgrajujeta v strukturo, da se uravnava njun nasprotni naboj. Razdalje med gradniki so zato dobro definirane ne glede na to, v kateri smeri opazujemo takšen kristal. Razporeditev gradnikov v nikljevem oksidu je taka, da lahko osnovni ponavljajoči vzorec opišemo s kubično kristalno struktu- ro z dobro definirano dolžino roba osnovne celice. Pri dodajanju drugih elementov, ki so sicer glede na oksidacijsko stanje podobni, pa se struktura deformira (popači). V tem primeru (slika 3b) se v strukturo na mesto, kjer je bil prej nikljev ion, vgrajujejo drugi kovinski ioni z različnim polmerom (lahko večjim ali manjšim) glede na nikelj. Ioni se razporedijo tako, da zadostijo po- trebam po uravnavanju nasprotnega naboja. Hkrati pa tekmujejo med gradniki odbojne in privlačne sile, ki so odvisne tudi od veli- kosti posameznih ionov in njihovega naboja. Končni rezultat je popačena kristalna mreža in posledično nastanek tako imenovane na- pete kristalne strukture, kar ima za posledi- co tudi spremenjene funkcionalne lastnosti materiala. Popačena mreža (napeta kristal- na struktura) je ovira za potovanje dislo- kacij, kar zvišuje trdnost in znižuje duktil- nost takšnega materiala. (Duktilnost  je la- stnost materiala, da prenese plastično defor- macijo, ne da bi se  zlomil. Večjo deforma- cijo kot je material sposoben prenesti brez preloma zaradi krhkosti, bolj je duktilen. Duktilnost se največkrat meri pri zlitinah in ostalih konstrukcijskih elementih.) Hkrati pa popačena mreža poslabša toplo- tno odpornost materiala ter zniža električno in toplotno prevodnost materialov z visoko entropijo. V skrajnem primeru sta zaradi prevelikih razlik v velikosti ionov možna tu- di porušitev kristalne strukture in nastanek amorfne faze. Kinetični učinek upočasnjene difuzije (»sluggish diffusion effect«) V materialu se z difuzijo velikega števila atomov raznovrstnih elementov tvorijo nove faze. Pri tem sodelujejo praznine (vakance), ki so del realne zgradbe kristalov in so kot takšne potrebne za substitucijsko difuzijo. Vsaka taka praznina močno zviša entropijo mešanja in hkrati zvišuje tudi konfiguracij- sko entalpijo, kar pri določeni temperatu- ri in koncentraciji zmanjša prosto energijo mešanja (enačba 3). Ko konfiguracijska en- tropija mešanice narašča, se prosta energi- ja tvorbe trdne raztopine zmanjša. Takšen proces je spontan oziroma je tvorba materi- alov z visoko entropijo lažja, še posebej pri povišanih temperaturah. Koeficienti hitrosti difuzije v različnih sistemih, ki jih je izra- čunal Yeh, si sledijo v razmerju: zlitine z vi- soko entropijo < nerjavna jekla < čiste kovi- ne (Yeh, 2006). Ugotovitev poudarja pomen počasne difuzije za nadzorovani nastanek faz v materialih z visoko entropijo. Učinek koktajla Za pojasnitev tega učinka se bomo podali v svet koktajlov, kjer so raziskovalci tudi dobili navdih za ime. V svetu barmanstva so komponente večinoma v tekočem agrega- tnem stanju (z izjemo ledu ali sadja). Vsaka sestavina ima svoj okus, vonj in barvo, torej individualne lastnosti. Mešanje z drugimi sestavinami pa ima za posledico popolnoma novo barvo, okus in končni videz. Izkušeni barman ve, da je izbira primernih sestavin in njihovega razmerja ključna za zadovo- ljiv končni izdelek (koktajl). Torej lahko s spremembo samo teh dveh spremenljivk vplivamo na končne lastnosti materiala. Pri inženirstvu materialov z visoko entropijo je zgodba zelo podobna. V obeh primerih gre za učinek sinergije, kjer mešanje posa- meznih sestavin ustvari materiale z visoko entropijo s funkcionalnimi lastnostmi, ki presegajo funkcionalne lastnosti vsote posa- meznih sestavin. Rezultat učinka koktajla so tako izboljšani novi materiali z zelo široko možnostjo uporabe: na primer kot anodni materiali, trdni elektroliti, katodni materiali v baterijah, vmesni sloji, kot elektrode v su- perkondenzatorjih, biomateriali, katalizatorji … (slika 4). Prav velik nabor elementov, včasih sicer ne- kompatibilnih, nam omogoča kombinacije, ki rezultirajo v materialih z zelo različnimi končnimi funkcionalnimi lastnostmi. Sinteze Za sintezo materialov z visoko entropi- jo uporabljajo različne postopke, med ka- terimi so najpogostejši: sinteze v trdnem, mokre sinteze (sol-gel sinteze), priprava z legiranjem, laserska ablacija, elektrokemij- ska sinteza in še vrsto drugih. Nešteto mo- žnosti priprave materialov z visoko entro- pijo pomenijo nešteto možnih poskusov in sintez, kar je lahko v laboratoriju časovno zelo potratno in cenovno negospodarno. Pri pripravi materialov z visoko entropijo zato še posebej pride do veljave tako imenovano krojenje končnih materialov z uporabo stroj- nega učenja (machine learning, ML) (Zhou, Xiang, Dai, 2023) in analizo podatkov. Prav zapletene kombinacije sestav in mi- krostruktur povzročajo težave pri izbiri in načrtovanju materialov. Tradicionalna pot inženirstva materialov z zelo široko shemo poskusov in napak je v tem primeru eko- nomsko manj učinkovita. Potrebe po dru- gačni vrsti »eksperimentiranja« so leta 2011 sprožile nastanek tako imenovane Iniciative za genom materialov (Materials Genome Ini- tiative, MGI) (Materials Genome Initiative | WWW.MGI.GOV). S tem se je odprl nov vzorec načrtovanja, oblikovanja, razvoja in uporabe materialov s pomočjo strojno ge- neriranih eksperimentov, ki temelji na raču- nalniškem modeliranju in virtualni izvedbi eksperimentov. Dostopnost naprav z večjimi računskimi zmogljivostmi in razvoj umetne inteligence sta namreč tudi na področju in- ženirstva materialov omogočila razvoj pri načrtovanju novih materialov z razvojem vzporednih simulacij s pomočjo strojnega učenja. Zbirke podatkov o materialih z vi- soko entropijo so za uporabo v visokozmo- gljivih modelih sicer še v fazi razvoja. So pa na primer pri karbidih z visoko entropijo že izvedli simulacije z metodo teorije funkci- onalne gostote (Density functional theory) kot eno izmed tehnik strojnega učenja. V zadnjem primeru je raziskovalce zanimalo predvsem, ali je določeno sestavo karbidov z visoko entropijo možno tudi dejansko sinte- tizirati in pod kakšnimi pogoji, ter v nada- ljevanju fazna obstojnost pri ognjevzdržnih zlitinah z visoko entropijo. Uporaba Kljub dejstvu, da je od odkritja materialov z visoko entropijo do danes minilo razmeroma malo časa, materiale z visoko entropijo tudi Slika 4: Mešanje različnih komponent, prikazan s primerom koktajla, in nekateri primeri uporabe tako dobljenih materialov. 214 ■ Proteus 86/5 • Januar 2024 215Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti • KemijaKemija • Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti medčlenskih vezi. Če primerjamo struktu- ro nikljevega oksida (NiO), ki je na sliki 3a, s strukturo materiala z visoko entropi- jo ((Mg0,2Co0,2Ni0,2Cu0,2Zn0,2)O) na sliki 3b, je razlika očitna. Pri nikljevem oksidu se iona elementov niklja (Ni2+) in kisika (O2-) izmenično vgrajujeta v strukturo, da se uravnava njun nasprotni naboj. Razdalje med gradniki so zato dobro definirane ne glede na to, v kateri smeri opazujemo takšen kristal. Razporeditev gradnikov v nikljevem oksidu je taka, da lahko osnovni ponavljajoči vzorec opišemo s kubično kristalno struktu- ro z dobro definirano dolžino roba osnovne celice. Pri dodajanju drugih elementov, ki so sicer glede na oksidacijsko stanje podobni, pa se struktura deformira (popači). V tem primeru (slika 3b) se v strukturo na mesto, kjer je bil prej nikljev ion, vgrajujejo drugi kovinski ioni z različnim polmerom (lahko večjim ali manjšim) glede na nikelj. Ioni se razporedijo tako, da zadostijo po- trebam po uravnavanju nasprotnega naboja. Hkrati pa tekmujejo med gradniki odbojne in privlačne sile, ki so odvisne tudi od veli- kosti posameznih ionov in njihovega naboja. Končni rezultat je popačena kristalna mreža in posledično nastanek tako imenovane na- pete kristalne strukture, kar ima za posledi- co tudi spremenjene funkcionalne lastnosti materiala. Popačena mreža (napeta kristal- na struktura) je ovira za potovanje dislo- kacij, kar zvišuje trdnost in znižuje duktil- nost takšnega materiala. (Duktilnost  je la- stnost materiala, da prenese plastično defor- macijo, ne da bi se  zlomil. Večjo deforma- cijo kot je material sposoben prenesti brez preloma zaradi krhkosti, bolj je duktilen. Duktilnost se največkrat meri pri zlitinah in ostalih konstrukcijskih elementih.) Hkrati pa popačena mreža poslabša toplo- tno odpornost materiala ter zniža električno in toplotno prevodnost materialov z visoko entropijo. V skrajnem primeru sta zaradi prevelikih razlik v velikosti ionov možna tu- di porušitev kristalne strukture in nastanek amorfne faze. Kinetični učinek upočasnjene difuzije (»sluggish diffusion effect«) V materialu se z difuzijo velikega števila atomov raznovrstnih elementov tvorijo nove faze. Pri tem sodelujejo praznine (vakance), ki so del realne zgradbe kristalov in so kot takšne potrebne za substitucijsko difuzijo. Vsaka taka praznina močno zviša entropijo mešanja in hkrati zvišuje tudi konfiguracij- sko entalpijo, kar pri določeni temperatu- ri in koncentraciji zmanjša prosto energijo mešanja (enačba 3). Ko konfiguracijska en- tropija mešanice narašča, se prosta energi- ja tvorbe trdne raztopine zmanjša. Takšen proces je spontan oziroma je tvorba materi- alov z visoko entropijo lažja, še posebej pri povišanih temperaturah. Koeficienti hitrosti difuzije v različnih sistemih, ki jih je izra- čunal Yeh, si sledijo v razmerju: zlitine z vi- soko entropijo < nerjavna jekla < čiste kovi- ne (Yeh, 2006). Ugotovitev poudarja pomen počasne difuzije za nadzorovani nastanek faz v materialih z visoko entropijo. Učinek koktajla Za pojasnitev tega učinka se bomo podali v svet koktajlov, kjer so raziskovalci tudi dobili navdih za ime. V svetu barmanstva so komponente večinoma v tekočem agrega- tnem stanju (z izjemo ledu ali sadja). Vsaka sestavina ima svoj okus, vonj in barvo, torej individualne lastnosti. Mešanje z drugimi sestavinami pa ima za posledico popolnoma novo barvo, okus in končni videz. Izkušeni barman ve, da je izbira primernih sestavin in njihovega razmerja ključna za zadovo- ljiv končni izdelek (koktajl). Torej lahko s spremembo samo teh dveh spremenljivk vplivamo na končne lastnosti materiala. Pri inženirstvu materialov z visoko entropijo je zgodba zelo podobna. V obeh primerih gre za učinek sinergije, kjer mešanje posa- meznih sestavin ustvari materiale z visoko entropijo s funkcionalnimi lastnostmi, ki presegajo funkcionalne lastnosti vsote posa- meznih sestavin. Rezultat učinka koktajla so tako izboljšani novi materiali z zelo široko možnostjo uporabe: na primer kot anodni materiali, trdni elektroliti, katodni materiali v baterijah, vmesni sloji, kot elektrode v su- perkondenzatorjih, biomateriali, katalizatorji … (slika 4). Prav velik nabor elementov, včasih sicer ne- kompatibilnih, nam omogoča kombinacije, ki rezultirajo v materialih z zelo različnimi končnimi funkcionalnimi lastnostmi. Sinteze Za sintezo materialov z visoko entropi- jo uporabljajo različne postopke, med ka- terimi so najpogostejši: sinteze v trdnem, mokre sinteze (sol-gel sinteze), priprava z legiranjem, laserska ablacija, elektrokemij- ska sinteza in še vrsto drugih. Nešteto mo- žnosti priprave materialov z visoko entro- pijo pomenijo nešteto možnih poskusov in sintez, kar je lahko v laboratoriju časovno zelo potratno in cenovno negospodarno. Pri pripravi materialov z visoko entropijo zato še posebej pride do veljave tako imenovano krojenje končnih materialov z uporabo stroj- nega učenja (machine learning, ML) (Zhou, Xiang, Dai, 2023) in analizo podatkov. Prav zapletene kombinacije sestav in mi- krostruktur povzročajo težave pri izbiri in načrtovanju materialov. Tradicionalna pot inženirstva materialov z zelo široko shemo poskusov in napak je v tem primeru eko- nomsko manj učinkovita. Potrebe po dru- gačni vrsti »eksperimentiranja« so leta 2011 sprožile nastanek tako imenovane Iniciative za genom materialov (Materials Genome Ini- tiative, MGI) (Materials Genome Initiative | WWW.MGI.GOV). S tem se je odprl nov vzorec načrtovanja, oblikovanja, razvoja in uporabe materialov s pomočjo strojno ge- neriranih eksperimentov, ki temelji na raču- nalniškem modeliranju in virtualni izvedbi eksperimentov. Dostopnost naprav z večjimi računskimi zmogljivostmi in razvoj umetne inteligence sta namreč tudi na področju in- ženirstva materialov omogočila razvoj pri načrtovanju novih materialov z razvojem vzporednih simulacij s pomočjo strojnega učenja. Zbirke podatkov o materialih z vi- soko entropijo so za uporabo v visokozmo- gljivih modelih sicer še v fazi razvoja. So pa na primer pri karbidih z visoko entropijo že izvedli simulacije z metodo teorije funkci- onalne gostote (Density functional theory) kot eno izmed tehnik strojnega učenja. V zadnjem primeru je raziskovalce zanimalo predvsem, ali je določeno sestavo karbidov z visoko entropijo možno tudi dejansko sinte- tizirati in pod kakšnimi pogoji, ter v nada- ljevanju fazna obstojnost pri ognjevzdržnih zlitinah z visoko entropijo. Uporaba Kljub dejstvu, da je od odkritja materialov z visoko entropijo do danes minilo razmeroma malo časa, materiale z visoko entropijo tudi Slika 4: Mešanje različnih komponent, prikazan s primerom koktajla, in nekateri primeri uporabe tako dobljenih materialov. 216 ■ Proteus 86/5 • Januar 2024 217Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti • KemijaKemija • Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti že industrijsko proizvajajo. Zaradi potreb po vedno novih izboljšanih materialih so inže- nirji hitro prepoznali prednosti in kakovost materialov z visoko entropijo ter jih vključili v različne aplikacije. Uporabi materialov z visoko entropijo ne nazadnje daje prednost tudi razmerje med funkcionalnimi lastnost- mi končnih materialov ter njihovo ceno (sli- ka 5), ki je za materiale z visoko entropijo zelo ugodno. Ena izmed najperspektivnej- ših aplikacij materialov z visoko entropijo je priprava tako imenovanih tankih plasti. Tanke plasti zlitin z visoko entropijo ta- ko uporabljajo kot prevleke, odporne proti obrabi in povišani temperaturi, ter kot tr- de prevleke za rezalna orodja. Še vedno so postopki priprave materialov z visoko entro- pijo nekoliko nedodelani, kar omejuje njiho- vo širšo uporabo v večjih sistemih, zato se v tem trenutku materiali z visoko entropi- jo uporabljajo v bolj specialnih, majhnih in dragih aplikacijah. Tudi na področju priprave vlaken imajo ma- teriali z visoko entropijo zavidljive lastnosti. Tukaj prevladujejo predvsem njihove dobre mehanske lastnosti, kjer izstopata visoka trdnost in zadovoljiva duktilnost, kar se je pokazalo tudi pri Al0,3CoCrFeNi (slika 6). Li in sodelavcem (Li, Li, Feng in sod., 2017) iz Laboratorija za napredne kovine in materiale Univerze v Pekingu je uspelo pripraviti vlakna z omenjeno sestavo s pre- merom od 1 do 3,15 milimetra in izredno natezno trdnostjo ≈1200 megapaskalov pri temperaturi 77 kelvinov (-196 stopinj Cel- zija), ki pa z zniževanjem temperature še naraste. Študije (Lu, Wang, Chen in sod., 2015; Wang, 2022) potrjujejo še druge iz- jemne lastnosti zlitin z visoko entropijo v primerjavi z običajnimi zlitinami: visoko to- plotno obstojnost, odpornost proti utrujanju, obrabi in koroziji, večjo trdoto ter izjemne lastnosti pri povišanih in nizkih (krio)tem- peraturah. Možnosti uporabe teh materialov se zaradi tega še povečajo. Uspešno kljubu- jejo ekstremnim razmeram, ki smo jim priča Slika 5: Razmerje med ceno in lastnostmi najpogostejših materialov z različno stopnjo entropije. Slika 6: Vlakna, pripravljena iz Al0,3CoCrFeNi (Li, Li, Feng in sod., 2017). Slika 7: a) Slika ingota, zlitine z visoko entropijo, b) nikelj-metalhidridna anoda, c) shema elektrokemijske celice s tremi elektrodami in d) značilnosti (odvisnost kapacitete praznjenja od števila ciklov) zlitin z visoko entropijo z različnim razmerjem elementov (Edalati, Mohammadi, Li in sod., 2022). 216 ■ Proteus 86/5 • Januar 2024 217Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti • KemijaKemija • Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti že industrijsko proizvajajo. Zaradi potreb po vedno novih izboljšanih materialih so inže- nirji hitro prepoznali prednosti in kakovost materialov z visoko entropijo ter jih vključili v različne aplikacije. Uporabi materialov z visoko entropijo ne nazadnje daje prednost tudi razmerje med funkcionalnimi lastnost- mi končnih materialov ter njihovo ceno (sli- ka 5), ki je za materiale z visoko entropijo zelo ugodno. Ena izmed najperspektivnej- ših aplikacij materialov z visoko entropijo je priprava tako imenovanih tankih plasti. Tanke plasti zlitin z visoko entropijo ta- ko uporabljajo kot prevleke, odporne proti obrabi in povišani temperaturi, ter kot tr- de prevleke za rezalna orodja. Še vedno so postopki priprave materialov z visoko entro- pijo nekoliko nedodelani, kar omejuje njiho- vo širšo uporabo v večjih sistemih, zato se v tem trenutku materiali z visoko entropi- jo uporabljajo v bolj specialnih, majhnih in dragih aplikacijah. Tudi na področju priprave vlaken imajo ma- teriali z visoko entropijo zavidljive lastnosti. Tukaj prevladujejo predvsem njihove dobre mehanske lastnosti, kjer izstopata visoka trdnost in zadovoljiva duktilnost, kar se je pokazalo tudi pri Al0,3CoCrFeNi (slika 6). Li in sodelavcem (Li, Li, Feng in sod., 2017) iz Laboratorija za napredne kovine in materiale Univerze v Pekingu je uspelo pripraviti vlakna z omenjeno sestavo s pre- merom od 1 do 3,15 milimetra in izredno natezno trdnostjo ≈1200 megapaskalov pri temperaturi 77 kelvinov (-196 stopinj Cel- zija), ki pa z zniževanjem temperature še naraste. Študije (Lu, Wang, Chen in sod., 2015; Wang, 2022) potrjujejo še druge iz- jemne lastnosti zlitin z visoko entropijo v primerjavi z običajnimi zlitinami: visoko to- plotno obstojnost, odpornost proti utrujanju, obrabi in koroziji, večjo trdoto ter izjemne lastnosti pri povišanih in nizkih (krio)tem- peraturah. Možnosti uporabe teh materialov se zaradi tega še povečajo. Uspešno kljubu- jejo ekstremnim razmeram, ki smo jim priča Slika 5: Razmerje med ceno in lastnostmi najpogostejših materialov z različno stopnjo entropije. Slika 6: Vlakna, pripravljena iz Al0,3CoCrFeNi (Li, Li, Feng in sod., 2017). Slika 7: a) Slika ingota, zlitine z visoko entropijo, b) nikelj-metalhidridna anoda, c) shema elektrokemijske celice s tremi elektrodami in d) značilnosti (odvisnost kapacitete praznjenja od števila ciklov) zlitin z visoko entropijo z različnim razmerjem elementov (Edalati, Mohammadi, Li in sod., 2022). 218 ■ Proteus 86/5 • Januar 2024 219Kemija • Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti • Kemija v jedrski in vesoljski tehnologiji ter v tur- binskih sistemih. Zlitinam z visoko entropijo se odpirajo mo- žnosti uporabe tudi pri shranjevanju ener- gije, na primer shranjevanju vodika v obliki hidridov in shranjevanju energije v baterijah. Zlitine z visoko entropijo so primerni kot novi anodni materiali za nikelj-metalhidri- dne (Ni-MH) baterije (Edalati, Moham- madi, Li in sod., 2022). V tem primeru so uporabili TixZr2-xCrMnFeNi z različnim molskim razmerjem med titanom in cirko- nijem. Najboljše karakteristike sta pokazala materiala z razmerjem Ti/(Ti+Zr) 0,4 in 0,5 (slika 7d). Take ugotovitve na široko odpira- jo vrata materialom z visoko entropijo tudi na področju baterij. Krojenje materialov lahko prikažemo z dve- ma stranema medalje. Ena stran medalje materialov z visoko entropijo ponuja skoraj neskončno možnost kombinacij komponent ter posledično priprave neskončno različnih inovativnih mikrostruktur. Drugo stran pa predstavlja prav toliko različnih funkcio- nalnih lastnosti in možnosti uporabe ma- terialov z visoko entropijo, ki so posledica sinteznih parametrov prve strani. Odvisnost je tudi v obratni smeri, saj s ciljanjem na določene lastnosti prilagajamo sestavo ma- teriala. Prekletstvo ali izziv? Oboje. Obe strani medalje sta med seboj povezani in nerazdružljivi v nadaljnjem raziskovalnem delu. Lahko bi rekli, da imamo na področju materialov z visoko entropijo še veliko mo- žnosti za raziskovanje, več, kot se jih trenu- tno lahko zavedamo. Literatura: Brechtl, J., Liaw, P. K., 2021: High-entropy materials: Theory, experiments, and applications. Springer International Publishing. Cantor, B., Chang, I. T. H., Knight, P., in sod., 2004: Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys. Materials Science and Engineering: A 375-377 (1): 213-218, doi: https://doi. org/10.1016/j.msea.2003.10.257. Edalati, P., Mohammadi, A., Li, Y., in sod., 2022: High-entropy alloys as anode materials of nickel - metal hydride batteries. Scripta Materialia, 209: 114387, doi: https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114387 George, E. P., Raabe, D., Ritchie, R. O., 2019: High- entropy alloys. Nature Reviews Materials, 4 (8): 515- 534, doi: 10.1038/s41578-019-0121-4. Li, D., Li, C., Feng, T., in sod., 2017: High-entropy Al0.3CoCrFeNi alloy fibers with high tensile strength and ductility at ambient and cryogenic temperatures. Acta Materialia, 123 (5): 285-294, doi: https://doi. org/10.1016/j.actamat.2016.10.038. Lu, Z. P., Wang, H., Chen, M. W., in sod., 2015: An assessment on the future development of high- entropy alloys: Summary from a recent workshop. Intermetallics, 66: 67-76, doi: https://doi.org/10.1016/j. intermet.2015.06.021. Materials Genome Initiative | WWW.MGI.GOV. Pan, Y., Liu, J.-X., Tu, T.-Z., in sod., 2023: High- entropy oxides for catalysis: A diamond in the rough. Chemical Engineering Journal, 451 (2): 138659, doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138659. Wang, Y., 2022: Processing and properties of high entropy carbides. Advances in Applied Ceramics, 121 (2): 57-78, doi: 10.1080/17436753.2021.2014277. Yeh, J.-W., Chen, S.-K., Lin, S.-J., in sod., 2004: Nanostructured High-Entropy Alloys with Multiple Principal Elements: Novel Alloy Design Concepts and Outcomes. Advanced Engineering Materials, 6 (5): 299- 303, doi: https://doi.org/10.1002/adem.200300567. Yeh, J.-W., 2006: Recent progress in high-entropy alloys. European Journal of Control, 31 (6): 633-648, doi: 10.3166/acsm.31.633-648. Yeh, J.-W., 2016: Overview of High-Entropy Alloys. V: Gao, M. C., Yeh, J.-W., Liaw, P. K., in sod., uredniki: High-Entropy Alloys: Fundamentals and Applications. Cham: Springer International Publishing, 1-19. Zhang, Y., Zhou, Y., Hui, X., in sod., 2008: Minor alloying behavior in bulk metallic glasses and high- entropy alloys. Science in China Series G: Physics, Mechanics and Astronomy, 51 (4): 427-437, doi:10.1007/ s11433-008-0050-5. Zhou, Y., Xiang, H., Dai, F.-Z., 2023: High‐Entropy Materials: From Basics to Applications. Wiley. Slovarček: Zlitina. Zmes dveh ali več kovin, ki jih najpogosteje pripravljajo s taljenjem in me- šanjem. Intermetalna spojina. Nova samostojna spojina, ki se tvori pri mešanju dveh ali več elementov. Primer intermetalne spojine je cementit (Fe3C) v faznem diagram Fe-C (železo-ogljik). Tina Skalar je docentka na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Ljubljani. Leta 2008 je diplomirala, leta 2014 pa doktorirala na temo gorivnih celic. V času doktorskega študija se je ukvarjala s sintezo, karakterizacijo in pripravo materialov za gorivne celice s trdnim elektrolitom, njeno konstrukcijo in načrtovanjem ter postavitvijo testnega sistema. Trenutno je zaposlena na Katedri za materiale in polimerno inženirstvo na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo na Univerzi v Ljubljani. Poleg raziskovalnega opravlja tudi pedagoško delo pri predmetih s področja materialov, kjer je mentorica diplomskim in magistrskim študentom. Vključena je v programsko skupino Napredna anorganska kemija in projekte s področja mikroplastike. Raziskuje sintezo perovskitnih materialov, določevanje parametrov prašnih eksplozij in karakterizacijo materialov (mikroplastike, lesa, titanovega dioksida), predvsem z uporabo termoanalitskih tehnik, mikroskopije in drugih metod, ki omogočajo študij morfologije. Marjan Marinšek je diplomiral leta 1992, magistriral leta 1996 in dokončal doktorat leta 1998 z nalogo Kompozitni anodni materiali za visokotemperaturne gorivne celice s trdnim elektrolitom. Vsi nazivi so bili podeljeni na Univerzi v Ljubljani. Po dokončanem doktoratu je opravil podoktorsko izobraževanje leta 2005 na Oddelku za raziskovanje materialov v Nacionalnem laboratoriju Risoe na Danskem, leta 2006 na Katedri za energetske sisteme na Tehniški univerzi v Münchnu v Nemčiji in leta 2018 na Oddelku za gradbeništvo in geodezijo Fakultete tehniških znanosti na Univerzi v Novem Sadu. Trenutno je Marjan Marinšek zaposlen kot redni profesor za področje materialov na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Ljubljani. Pomembna strokovna področja delovanja Marjana Marinška: • Priprava in karakterizacija novih keramičnih in kermetnih materialov: predvsem materiali za tehnologijo SOFC, na primer Ni-YSZ, Ni-GDC, Ni-SDC, LSM, dopirani lantanovi galati in kisikovi ionski prevodniki, na primer YSZ, GDC, SDC. • Raziskave minimizacije depozicije ogljika na anodnem materialu SOFC. • Sinteza nanodelcev ZnO ter priprava kompozitov ZnO/polimer. • Nanodisperzije Pd-C kot katalizatorji za elektrooksidacijo mravljične kisline. • Alkalno-karbonatna reakcija v hidravličnih vezivih, kot je na primer beton. Staranje betonov, opis degradacijskih mehanizmov v različnih betonih in maltah. • Priprava različnih perovskitnih materialov. Ekvimolarnost. Enaka množina kompo- nent. Elektronegativnost. Zmožnost atoma, da privlači elektrone. Bolj kot je atom elektro- negativen, bolj privlači elektrone. Najbolj elektronegativen element je f luor. Duktilnost. Lastnost materiala, da prenese plastično deformacijo brez zloma. 218 ■ Proteus 86/5 • Januar 2024 219Kemija • Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti Materiali z visoko entropijo - materiali prihodnosti • Kemija v jedrski in vesoljski tehnologiji ter v tur- binskih sistemih. Zlitinam z visoko entropijo se odpirajo mo- žnosti uporabe tudi pri shranjevanju ener- gije, na primer shranjevanju vodika v obliki hidridov in shranjevanju energije v baterijah. Zlitine z visoko entropijo so primerni kot novi anodni materiali za nikelj-metalhidri- dne (Ni-MH) baterije (Edalati, Moham- madi, Li in sod., 2022). V tem primeru so uporabili TixZr2-xCrMnFeNi z različnim molskim razmerjem med titanom in cirko- nijem. Najboljše karakteristike sta pokazala materiala z razmerjem Ti/(Ti+Zr) 0,4 in 0,5 (slika 7d). Take ugotovitve na široko odpira- jo vrata materialom z visoko entropijo tudi na področju baterij. Krojenje materialov lahko prikažemo z dve- ma stranema medalje. Ena stran medalje materialov z visoko entropijo ponuja skoraj neskončno možnost kombinacij komponent ter posledično priprave neskončno različnih inovativnih mikrostruktur. Drugo stran pa predstavlja prav toliko različnih funkcio- nalnih lastnosti in možnosti uporabe ma- terialov z visoko entropijo, ki so posledica sinteznih parametrov prve strani. Odvisnost je tudi v obratni smeri, saj s ciljanjem na določene lastnosti prilagajamo sestavo ma- teriala. Prekletstvo ali izziv? Oboje. Obe strani medalje sta med seboj povezani in nerazdružljivi v nadaljnjem raziskovalnem delu. Lahko bi rekli, da imamo na področju materialov z visoko entropijo še veliko mo- žnosti za raziskovanje, več, kot se jih trenu- tno lahko zavedamo. Literatura: Brechtl, J., Liaw, P. K., 2021: High-entropy materials: Theory, experiments, and applications. Springer International Publishing. Cantor, B., Chang, I. T. H., Knight, P., in sod., 2004: Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys. Materials Science and Engineering: A 375-377 (1): 213-218, doi: https://doi. org/10.1016/j.msea.2003.10.257. Edalati, P., Mohammadi, A., Li, Y., in sod., 2022: High-entropy alloys as anode materials of nickel - metal hydride batteries. Scripta Materialia, 209: 114387, doi: https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114387 George, E. P., Raabe, D., Ritchie, R. O., 2019: High- entropy alloys. Nature Reviews Materials, 4 (8): 515- 534, doi: 10.1038/s41578-019-0121-4. Li, D., Li, C., Feng, T., in sod., 2017: High-entropy Al0.3CoCrFeNi alloy fibers with high tensile strength and ductility at ambient and cryogenic temperatures. Acta Materialia, 123 (5): 285-294, doi: https://doi. org/10.1016/j.actamat.2016.10.038. Lu, Z. P., Wang, H., Chen, M. W., in sod., 2015: An assessment on the future development of high- entropy alloys: Summary from a recent workshop. Intermetallics, 66: 67-76, doi: https://doi.org/10.1016/j. intermet.2015.06.021. Materials Genome Initiative | WWW.MGI.GOV. Pan, Y., Liu, J.-X., Tu, T.-Z., in sod., 2023: High- entropy oxides for catalysis: A diamond in the rough. Chemical Engineering Journal, 451 (2): 138659, doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138659. Wang, Y., 2022: Processing and properties of high entropy carbides. Advances in Applied Ceramics, 121 (2): 57-78, doi: 10.1080/17436753.2021.2014277. Yeh, J.-W., Chen, S.-K., Lin, S.-J., in sod., 2004: Nanostructured High-Entropy Alloys with Multiple Principal Elements: Novel Alloy Design Concepts and Outcomes. Advanced Engineering Materials, 6 (5): 299- 303, doi: https://doi.org/10.1002/adem.200300567. Yeh, J.-W., 2006: Recent progress in high-entropy alloys. European Journal of Control, 31 (6): 633-648, doi: 10.3166/acsm.31.633-648. Yeh, J.-W., 2016: Overview of High-Entropy Alloys. V: Gao, M. C., Yeh, J.-W., Liaw, P. K., in sod., uredniki: High-Entropy Alloys: Fundamentals and Applications. Cham: Springer International Publishing, 1-19. Zhang, Y., Zhou, Y., Hui, X., in sod., 2008: Minor alloying behavior in bulk metallic glasses and high- entropy alloys. Science in China Series G: Physics, Mechanics and Astronomy, 51 (4): 427-437, doi:10.1007/ s11433-008-0050-5. Zhou, Y., Xiang, H., Dai, F.-Z., 2023: High‐Entropy Materials: From Basics to Applications. Wiley. Slovarček: Zlitina. Zmes dveh ali več kovin, ki jih najpogosteje pripravljajo s taljenjem in me- šanjem. Intermetalna spojina. Nova samostojna spojina, ki se tvori pri mešanju dveh ali več elementov. Primer intermetalne spojine je cementit (Fe3C) v faznem diagram Fe-C (železo-ogljik). Tina Skalar je docentka na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Ljubljani. Leta 2008 je diplomirala, leta 2014 pa doktorirala na temo gorivnih celic. V času doktorskega študija se je ukvarjala s sintezo, karakterizacijo in pripravo materialov za gorivne celice s trdnim elektrolitom, njeno konstrukcijo in načrtovanjem ter postavitvijo testnega sistema. Trenutno je zaposlena na Katedri za materiale in polimerno inženirstvo na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo na Univerzi v Ljubljani. Poleg raziskovalnega opravlja tudi pedagoško delo pri predmetih s področja materialov, kjer je mentorica diplomskim in magistrskim študentom. Vključena je v programsko skupino Napredna anorganska kemija in projekte s področja mikroplastike. Raziskuje sintezo perovskitnih materialov, določevanje parametrov prašnih eksplozij in karakterizacijo materialov (mikroplastike, lesa, titanovega dioksida), predvsem z uporabo termoanalitskih tehnik, mikroskopije in drugih metod, ki omogočajo študij morfologije. Marjan Marinšek je diplomiral leta 1992, magistriral leta 1996 in dokončal doktorat leta 1998 z nalogo Kompozitni anodni materiali za visokotemperaturne gorivne celice s trdnim elektrolitom. Vsi nazivi so bili podeljeni na Univerzi v Ljubljani. Po dokončanem doktoratu je opravil podoktorsko izobraževanje leta 2005 na Oddelku za raziskovanje materialov v Nacionalnem laboratoriju Risoe na Danskem, leta 2006 na Katedri za energetske sisteme na Tehniški univerzi v Münchnu v Nemčiji in leta 2018 na Oddelku za gradbeništvo in geodezijo Fakultete tehniških znanosti na Univerzi v Novem Sadu. Trenutno je Marjan Marinšek zaposlen kot redni profesor za področje materialov na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Ljubljani. Pomembna strokovna področja delovanja Marjana Marinška: • Priprava in karakterizacija novih keramičnih in kermetnih materialov: predvsem materiali za tehnologijo SOFC, na primer Ni-YSZ, Ni-GDC, Ni-SDC, LSM, dopirani lantanovi galati in kisikovi ionski prevodniki, na primer YSZ, GDC, SDC. • Raziskave minimizacije depozicije ogljika na anodnem materialu SOFC. • Sinteza nanodelcev ZnO ter priprava kompozitov ZnO/polimer. • Nanodisperzije Pd-C kot katalizatorji za elektrooksidacijo mravljične kisline. • Alkalno-karbonatna reakcija v hidravličnih vezivih, kot je na primer beton. Staranje betonov, opis degradacijskih mehanizmov v različnih betonih in maltah. • Priprava različnih perovskitnih materialov. Ekvimolarnost. Enaka množina kompo- nent. Elektronegativnost. Zmožnost atoma, da privlači elektrone. Bolj kot je atom elektro- negativen, bolj privlači elektrone. Najbolj elektronegativen element je f luor. Duktilnost. Lastnost materiala, da prenese plastično deformacijo brez zloma.