L'alliage est un tour de magie utilisé pour produire de nouveaux matériaux en mélangeant en synergie au moins deux éléments métalliques pour former une solution solide. Les développements récents de la science ont trouvé de grandes applications des matériaux d'alliage en catalyse, pour lesquels des particules bi- ou trimétalliques à l'échelle nanométrique sont utilisées pour accélérer la vitesse des réactions chimiques. Mais l'application des alliages comme catalyseurs est limitée par ce qu'on appelle la « miscibilité, " comme aucune combinaison arbitraire d'éléments ne peut former un alliage homogène, ni pour un réglage robuste du rapport entre les deux composants.

Signalé dans Communication Nature cette semaine, une équipe de recherche dirigée par Chao Wang, chercheur à l'Université Johns Hopkins, travailler avec des collaborateurs de l'Université du Maryland, Université de l'Illinois à Chicago, et Université de Pittsburgh, découvert une nouvelle méthode pour briser cette limitation. Dans ce travail, ils mélangent Co et Mo, deux éléments rarement miscibles, mais quelle combinaison est considérée comme importante pour catalyser des réactions chimiques énergétiques, comme la décomposition de l'ammoniac. Au lieu de les mélanger directement, Chao et son équipe ont ajouté trois autres ingrédients, Fe, Ni et Cu, qui sont tous des métaux de transition abondants sur terre. Lorsque les cinq éléments se réunissent en une particule nanométrique, une seule solution solide homogène se forme qui permet l'incorporation d'atomes de Co et de Mo à divers rapports. Les scientifiques appellent ce groupe de matériaux "alliages à haute entropie".

"L'astuce derrière est d'augmenter le désordre, caractère aléatoire de la façon dont les atomes métalliques s'alignent dans les cristaux d'alliage, " explique Wang, professeur adjoint au Département de génie chimique et biomoléculaire de la Johns Hopkins Whiting School of Engineering.

La quantité décrivant ce phénomène est appelée « entropie » en physique. Les nanoparticules d'alliage quinaire créées par Wang et son équipe s'avèrent posséder une entropie plus élevée que conventionnelle, alliages bi- ou trimétalliques relativement simples. Dans cet état unique, les caractéristiques atomiques des différents éléments sont rendues et deviennent plus faciles à mélanger.

On pense que les nanoparticules d'alliage à haute entropie ont un grand potentiel pour des applications catalytiques.

"Maintenant que nous pouvons fabriquer des nanoparticules d'alliage d'éléments que l'on croyait non miscibles auparavant, nous sommes capables de créer de nouveaux, des catalyseurs inédits aux propriétés d'adsorption surfacique optimales pour des réactions ciblées, " dit par Pengfei Xie, un stagiaire postdoctoral dans le laboratoire de Wang, et premier auteur du Communication Nature papier.

Les scientifiques ont démontré que les nanoparticules d'alliage quinaire Co-Mo-Fe-Ni-Cu étaient de superbes catalyseurs pour rompre la liaison chimique entre les atomes d'azote et d'hydrogène dans l'ammoniac, un moyen important de libérer de l'hydrogène à partir de ce produit chimique liquide pour alimenter les piles à combustible et alimenter les futurs véhicules électriques.