Estudio sobre la preparación y propiedades mecánicas de la cerámica morada.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 8755 (2023) Citar este artículo

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Este artículo tiene como objetivo preparar una cerámica púrpura portátil inteligente que cumpla con los requisitos de color de la ropa inteligente púrpura en el mercado después de usar circonato de neodimio como agente cromogénico. Sin embargo, el rendimiento mecánico de la cerámica púrpura de neodimio y circonato no es satisfactorio, especialmente porque tiene una tenacidad a la fractura extremadamente baja. Para solucionar esto, se añade un 3% molar de circonio estabilizado con itrio (3YSZ) al circonato de neodimio en la preparación de cerámicas multifásicas para mejorar sus propiedades mecánicas. En este experimento, se preparó una serie de muestras cerámicas con la adición de una cantidad creciente de 3YSZ 0, 20, 40, 50, 60, 70 y 80% en el rango de temperatura de sinterización de 1400-1500 °C. Se encontró que a la misma temperatura, las propiedades mecánicas de las muestras cerámicas mejoraron gradualmente con el aumento del contenido de 3YSZ. Además, con el mismo contenido, las propiedades mecánicas de las muestras cerámicas mejoraron gradualmente con la disminución de la temperatura. Los resultados muestran que cuando 3YSZ tiene una fracción de masa del 80% y se sinteriza a 1400 °C, la tenacidad a la fractura de las muestras cerámicas preparadas alcanza 8,15 MPa‧m1/2, que es casi dos veces mayor que la del circonato de neodimio monolítico. 2,57 MPa‧m1/2. La dureza Vickers de las muestras cerámicas preparadas alcanzó 12,93 GPa, casi un 88% más que la del circonato de neodimio sin dopar. Esto indica que las muestras se pueden aplicar en dispositivos portátiles inteligentes, como la placa posterior de un teléfono móvil, con cierta importancia práctica para el endurecimiento técnico de las cerámicas de circonio.

Las cerámicas coloreadas se utilizan ampliamente en diversas industrias con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología de la información. Como las cerámicas coloreadas son brillantes, tienen una buena textura metálica y principalmente tienen características de baja interferencia de señal, han comenzado a usarse cada vez más en dispositivos portátiles inteligentes, como placas posteriores de teléfonos móviles, anillos de relojes y otros. Sin embargo, la fragilidad es una debilidad importante de estas cerámicas, especialmente de las cerámicas de circonato de neodimio; por lo tanto, mejorar las propiedades mecánicas, especialmente la tenacidad a la fractura de las cerámicas, se ha convertido en una máxima prioridad. Matsumura et al.1 prepararon un material cerámico La2Zr2O7 utilizando el método de la hidencina y midieron que su tenacidad a la fractura y resistencia a la flexión alcanzaron 1,9 MPam1/2 y 172 MPa, respectivamente. Lee et al.2 agregaron óxido de itrio al circonato de gadolinio para preparar cerámicas compuestas y encontraron que la dureza Vickers aumentó de 6 a 10 GPa. Yu Zhang et al.3 doparon circonio estabilizado con óxido de iterbio con circonato de gadolinio, lo que dio como resultado una tenacidad a la fractura significativamente mejorada del material.

La circona tiene las características de endurecimiento por cambio de fase; por lo tanto, el cambio de fase martensítica es una de sus principales características. Por lo tanto, se utiliza comúnmente para mejorar la tenacidad a la fractura de materiales cerámicos4. La circona se ha estudiado exhaustivamente y la investigación sobre la cerámica de circonia sigue siendo un tema importante. Las cerámicas de circonio se utilizan cada vez más en la industria aeroespacial, electrónica, metalúrgica y de comunicaciones, entre otras industrias5. A la mayoría del circonio se le añade dióxido de itrio. En particular, se añade entre un 6 y un 8 % en moles de Y2O3 a la circona para obtener una fase cúbica, y entre un 3 y un 6 % en moles de itrio para obtener una circona parcialmente estabilizada. Una circona totalmente estable tiene una alta conductividad iónica y una circona parcialmente estabilizada tiene excelentes propiedades mecánicas a temperatura ambiente y alta temperatura6.

Muchos metales de transición no tienen un solo estado de valencia en el compuesto, sino que también coexisten en múltiples estados de valencia. Fujimori7 denominó a este fenómeno teoría del estado de valencia mixta. Esto se debe a la existencia de defectos puntuales en el cristal, lo que hace que el cristal tenga propiedades magnéticas, ópticas y eléctricas especiales. Hasta el momento, existen en el mercado cerámicas de circonio rojo, que se preparan añadiendo trióxido de hierro al circonio para producir el color rojo8. Las cerámicas moradas se preparan añadiendo óxido de neodimio o circonato de neodimio a la circona9. Las cerámicas azul cielo se preparan añadiendo óxido de níquel y óxido de alúmina a circonio10. Las cerámicas verdes se preparan añadiendo una cierta cantidad de óxido de níquel, óxido de alúmina, óxido de cromo y óxido de silicio a la circona11. Las cerámicas coloreadas preparadas en estos mercados tienen una amplia gama de aplicaciones, principalmente en decoraciones y dispositivos portátiles inteligentes, como placas posteriores de teléfonos móviles, anillos de relojes y otros12,13.

En este estudio, se añadió 3YSZ al circonato de neodimio para preparar cerámicas compuestas, que no solo pueden cumplir con los requisitos de color de las cerámicas violetas de uso inteligente, sino que también mejoran la tenacidad a la fractura de las cerámicas violetas de circonato de neodimio para permitir un procesamiento seguro sin fallas catastróficas prematuras.

En este experimento, se utilizó el método de molienda de bolas en fase sólida para preparar las muestras cerámicas. Aquí, se añadió 3YSZ (ZrO2: pureza ≥ 99,9%, Decheng Chemical Co., Ltd.; Y2O3: pureza ≥ 99,9%, Yuekai Metal Materials Co., Ltd.) al circonato de neodimio (pureza ≥ 99,9%, Yuekai Metal Materials Co. ., Ltd.) para molienda de bolas de alta energía durante 24 h a 450 rpm y con una relación de peso bola-polvo de 4:1. Los medios de molienda estaban en etanol absoluto (CH3CH2OH: pureza ≥ 99,7). La suspensión mezclada se secó a 338 K durante 24 h y luego se molió con un mortero. Luego de la molienda se tamizó con un tamiz de malla 80. Posteriormente, se colocaron aproximadamente 3 g del polvo tamizado en un molde con un diámetro de 25 mm. Se utilizó una prensa de tabletas eléctrica de mesa para dar forma a gránulos de 25 mm de diámetro, con una presión aplicada de 8 MPa. Luego se usó una prensa isostática fría con una presión de 200 MPa antes de la sinterización a la temperatura establecida durante 3 h en un horno de aire (Hefei Kejing Material Technology Co., Ltd, KSL-1700X-A2).

En este trabajo, se prepararon una serie de muestras cerámicas con fracciones de masa 3YSZ de 0, 20, 40, 50, 60, 70 y 80% a temperaturas de sinterización de 1500 °C, 1450 °C y 1400 °C.

Según la fórmula de Bragg, se utilizó difracción de rayos X (DRX) para estudiar la fase cristalina. El objetivo de difracción del instrumento para el objetivo de Cu y el voltaje y la corriente de trabajo fueron 40 kV y 40 mA, respectivamente. El rango de escaneo fue de 20 ~ 80° (2θ) y la velocidad de escaneo de 2°/min. La composición de fases y los parámetros celulares relacionados se obtuvieron comparándolos con la tarjeta estándar a través del software Jade.

Se utilizó microscopía electrónica de barrido por emisión de campo (FE-SEM, Zeiss, Sigma 500) para analizar la morfología de la superficie de las muestras cerámicas preparadas, principalmente mediante imágenes electrónicas secundarias. La superficie de todas las muestras se pulió finamente con una máquina pulidora automática (Shenyang Kejing Automation Equipment Co., Ltd, UNIPOL-1200S) y luego se grabó en caliente en un horno de alta temperatura. La temperatura de grabado en caliente se fijó en 1400 °C durante 20 minutos, y la descomposición en caliente a alta temperatura fue necesaria para eliminar la tensión residual y los rayones en la superficie de la muestra durante el pulido fino.

Se utilizó un durómetro automático Vickers (MATSUZAWA en Japón, Via-S), con una carga de 2 kgf mantenida durante 10 s. Antes de la determinación del tratamiento de pulido de la superficie de la muestra de cerámica, observe la muestra de prueba en el microscopio sin rayones obvios. Todas las muestras se recocieron a 1300 °C durante media hora. Esta operación se realizó para eliminar las tensiones residuales generadas durante el pulido y esmerilado. La dureza Vickers de las muestras se mide mediante un microdurómetro Vickers (VIA-S). Todas las muestras de cerámica fueron analizadas al menos cinco veces. En este experimento, la carga y el tiempo de mantenimiento de la presión son 2000 GF (9,8 N) y 10 s, respectivamente. La fórmula de cálculo específica es la siguiente:

donde P es la carga utilizada en la prueba (GF) y d es la longitud diagonal de la indentación microscópica (μm).

Para medir la tenacidad a la fractura, se utilizó el mismo probador automático de microdureza Vickers (VIA-S) para las pruebas. La carga aplicada fue de 3 kgf y la presión de mantenimiento fue de 10 s. Se midieron las longitudes diagonal y de grieta de la indentación para calcular la tenacidad a la fractura, de acuerdo con la ecuación. (2). Todas las muestras fueron analizadas cinco veces.

donde KIC denota tenacidad a la fractura (MPa‧m1/2), E denota el módulo elástico (GPa), Hv denota la dureza Vickers (GPa), a denota la mitad de la longitud diagonal de la indentación y l denota la longitud promedio de la grieta ( nm)14.

En este artículo, se utilizaron un espectrofotómetro UV-Vis (UV-3900, Hitachi), el espectrómetro láser Raman XploRA (HORIBA Jobin Yvon) y un colorímetro (KONICA MINOLTA, CM-1700A) para probar las propiedades ópticas de las muestras cerámicas. .

Las Figuras 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7 muestran el patrón XRD de las muestras de cerámica púrpura 3YSZ con diferentes temperaturas y contenidos de sinterización. Puede verse en las Figs. 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7, a pesar de las diferentes temperaturas de sinterización y la diferente composición de la mezcla, dan como resultado las mismas fases cristalinas, con patrones de XRD similares.

Patrones XRD de cerámicas sinterizadas a 1500 °C con una fracción 3YSZ creciente. X = peso%3YSZ (m-ZrO2: PDF#37-1484).

Patrones XRD de la cerámica con 20% en peso de 3YSZ sinterizados a 1500 °C (P: estructura de pirocloro: PDF#17-0458).

Patrones XRD de la cerámica 0wt%3YSZ sinterizada a 1500 °C (P: estructura de pirocloro: PDF#17-0458).

Patrones XRD de cerámicas sinterizadas a 1450 °C con una fracción 3YSZ creciente. X = peso%3YSZ (m-ZrO2: PDF#37-1484).

Patrones XRD de la cerámica con 20% en peso de 3YSZ sinterizado a 1450 °C (P: estructura de pirocloro: PDF#17-0458).

Patrones XRD de cerámicas sinterizadas a 1400 °C con una fracción 3YSZ creciente. X = peso%3YSZ.

Patrones XRD de la cerámica con 20% en peso de 3YSZ sinterizados a 1400 °C (P: estructura de pirocloro: PDF#17-0458).

Como se muestra en la Fig. 1, cuando la temperatura de sinterización es de 1500 °C, la fase principal es la fase tetragonal de circonio. Cuando 3YSZ tiene fracciones de masa de 70% y 80%, los picos característicos de la fase monoclínica (- 111)m y (111)m aparecen en el ángulo de difracción 2θ de 28° y 31°, respectivamente. Cuando 3YSZ tiene otro contenido, no hay picos característicos monoclínicos (− 111) my (111) m en el ángulo de difracción 2θ de 28 ° y 31 °, los otros son los picos de difracción de circonia tetragonal. La presencia de la fase de circonio tetragonal es buena para las propiedades mecánicas de la cerámica. Como se muestra en las Figs. 2 y 3, cuando la fracción de masa de 3YSZ es 20% y circonato de neodimio puro, los picos característicos (311), (331), (511) de la fase de pirocloro del circonato de neodimio cuando el ángulo de difracción 2θ es 27°, 37° , y 44,5° se pueden observar en el patrón XRD, respectivamente. Esto indica que coexisten la fase tetragonal del circonio y la fase clorita del circonato de neodimio. Dado que el pico característico de clorito no es claro en el espectro XRD, no se puede ver en el mayor contenido de 3YSZ, es decir, un menor contenido de circonato de neodimio; sin embargo, se puede ver en el espectro Raman.

Como se muestra en las Figs. 4 y 5, cuando la temperatura de sinterización es 1450 °C, la fase principal es también la fase tetragonal de circonio. A diferencia de la temperatura de sinterización de 1500 °C, cuando 3YSZ tiene una fracción de masa del 70%, no se observan picos característicos de la fase monoclínica (− 111)m y (111)m en el ángulo de difracción 2θ de 28° y 31°. .

Como se muestra en las Figs. 6 y 7, cuando la temperatura de sinterización es de 1400 °C, la fase principal es también la fase tetragonal de circonio. A diferencia de la temperatura de sinterización de 1500 °C y 1450 °C, cuando 3YSZ tiene fracciones de masa del 70% y 80%, los picos característicos de la fase monoclínica (− 111)m y (111)m no aparecen en el ángulo de difracción 2θ de 28° y 31°.

Como se muestra en los tres espectros Raman en la Fig. 8, independientemente de la temperatura de sinterización, los modos Raman correspondientes al pirocloro pueden verse como modo Eg a 300 cm-1, modo F2g a 400 cm-1 y 600 cm-1, A1g. a 530 cm-1 y el modo F2g a 750 cm-1. En la espectroscopia Raman, el pico de difracción correspondiente no es particularmente obvio, y esta situación también se ha informado en la literatura relevante15. Las muestras cerámicas preparadas a las tres temperaturas de sinterización muestran la misma tendencia de los espectros Raman. En los espectros Raman de las muestras cerámicas preparadas, se encuentra que con el aumento de 3YSZ, el pico Raman se vuelve más ancho y la intensidad del pico se debilita. Este fenómeno se debe al desorden estructural16.

Espectros Raman de muestras cerámicas que contienen diversos contenidos de 3YSZ y sinterizadas (a) 1500 °C (b) 1450 °C (c) 1400 °C.

Las Figuras 9 y 10 muestran la superficie de las distintas muestras con diferentes xwt% 3YSZ y diferentes temperaturas de sinterización. Desde la microscopía electrónica de barrido (SEM), se puede ver que todas las muestras tienen una microestructura densa y uniforme con grano poligonal y límites de grano aparentes y limpios.

Imágenes SEM de xwt%3YSZ sinterizado a 1450 °C (a) x = 20, (b) x = 40, (c) x = 60, (d) x = 80.

Imágenes SEM de 1400 °C xwt%3YSZ sinterizadas en (a) x = 20, (b) x = 40, (c) x = 60, (d) x = 80.

Como se muestra en la Fig. 9, cuando la temperatura de sinterización es de 1450 °C y la fracción de masa de 3YSZ es del 20%, se puede ver por la morfología microscópica que el tamaño del grano sigue siendo grande. El tamaño del grano disminuyó gradualmente con el aumento de la fracción de masa de 3YSZ. Cuando la fracción de masa de 3YSZ alcanzó el 80%, el tamaño promedio alcanzó 0,8 μm. Para una cantidad tan elevada de circonio, se obstaculizó el crecimiento del grano de circonato de neodimio, lo que dio como resultado propiedades mecánicas mejoradas de la cerámica, lo que dificultó el crecimiento del grano de circonato de neodimio, lo que dio como resultado un grano de circonato de neodimio más pequeño. Por tanto, se mejoran sus propiedades mecánicas.

Como se muestra en la Fig. 10, cuando la temperatura desciende a 1400 °C y 1450 °C, el tamaño del grano cambia aproximadamente con una disminución gradual con el aumento de la fracción de masa 3YSZ. Como se muestra en las Figs. 9 y 10, para 3YSZ con el mismo contenido de componentes, cuando la temperatura de sinterización es diferente, se puede observar que el tamaño de grano disminuye con la disminución de la temperatura.

Como se muestra en la Fig. 11, la imagen de arriba muestra BSE y la siguiente imagen muestra EDS. Combinando las dos pruebas, podemos ver que los granos grandes son Nd2Zr2O7 y los granos pequeños son circonia, que están marcados en la Fig. 10b.

Imágenes BSE y EDS de 40% peso 3YSZ sinterizado a 1400 °C.

Como se muestra en la Fig. 12, para una temperatura de sinterización fija de 1400 °C, el grado de púrpura de la muestra cerámica disminuye con el aumento de la fracción de masa de 3YSZ.

Imagen de muestras cerámicas sinterizadas a 1400 °C.

Las tablas 1, 2 y 3 presentan el color (valor de cromaticidad) de las muestras cerámicas. Se puede ver que para la misma temperatura de sinterización, con el aumento de la fracción de masa 3YSZ, el valor de brillo (L*) de todas las muestras cerámicas aumenta en general. Debido a la débil absorción de la luz visible por parte de la muestra cerámica, el color se vuelve superficial. Para muestras cerámicas con la misma fracción de masa 3YSZ, desde el punto de vista del valor de cromaticidad, cuanto menor es la temperatura, menor es el valor de brillo (L*). Sin embargo, la diferencia en el valor de cromaticidad (L*) es pequeña, lo que indica que la temperatura tiene un efecto menor sobre el color en comparación con la composición.

La Figura 13 muestra los espectros de reflectancia UV de las muestras cerámicas preparadas. Se puede observar que la tendencia del cambio es aproximadamente la misma para todas las temperaturas y composiciones de sinterización. Para las mismas composiciones, la reflectividad a todas las temperaturas de sinterización a la misma longitud de onda permanece básicamente sin cambios, lo que indica que la temperatura tiene poco efecto sobre ella. Para la misma temperatura de sinterización, se puede encontrar en cambio que en el rango de longitud de onda de luz violeta de 400 ~ 435 nm, la reflexión de la luz púrpura aumenta y el color púrpura se intensifica. Por lo tanto, a medida que disminuye el contenido de 3YSZ, la reflectividad cerámica aumenta gradualmente.

Espectros de reflectancia UV de cerámicas violetas sinterizadas a diferentes temperaturas. (a) 1500 °C (b) 1450 °C (c) 1400 °C.

En la Fig. 14 se puede ver que, en comparación con el circonato de neodimio puro, la dureza Vickers mejoró independientemente de la fracción de masa de ZrO2. Cuando el contenido de 3YSZ es del 80 % y la temperatura de sinterización es de 1400 °C, la dureza Vickers máxima es de 12,93 GPa, que es casi un 88 % mayor que la del circonato de neodimio puro, 6,86 GPa. Esto se debe al refinado tamaño de grano de la cerámica. Para la misma temperatura de sinterización, el valor de dureza Vickers aumenta gradualmente con el aumento de la fracción de masa 3YSZ. Para el mismo contenido de 3YSZ, el valor de dureza Vickers aumenta a medida que disminuye la temperatura de sinterización. Según el análisis de las imágenes de microscopía electrónica de barrido de emisión de campo, para la misma temperatura de sinterización, cuanto mayor es la fracción de masa de 3YSZ, menor es el tamaño del grano y mayor es la dureza. Para el mismo contenido de 3YSZ, cuanto menor es la temperatura, menor es el tamaño del grano y mayor es la capacidad de resistir la deformación y la correspondiente dureza.

(a) Indentación de muestras cerámicas con un contenido de 3YSZ del 80% sinterizadas a 1400 °C (la carga es de 2 kgf). (b) Valores de dureza Vickers de muestras cerámicas sinterizadas a varias temperaturas y con diferentes fracciones de 3YSZ.

Como se muestra en la Fig. 15, en comparación con el circonato de neodimio puro, la tenacidad a la fractura mejoró, independientemente de la fracción de masa de las adiciones de ZrO2. Cuando el contenido de 3YSZ era del 80% y la temperatura de sinterización es de 1400 °C, la tenacidad a la fractura es máxima, 8,15 MPa‧m1/2, que es casi el doble que la del circonato de neodimio puro, 2,57 MPa‧m1/2.

(a) Indentación de muestras cerámicas con un contenido de 3YSZ del 80% sinterizadas a 1400 °C (la carga es de 3 kgf). (b) valores de tenacidad a la fractura de muestras cerámicas sinterizadas a varias temperaturas y con diferentes fracciones de 3YSZ.

Como se muestra en las Figs. 9 y 10, la adición de la segunda fase mejora la densidad de la muestra cerámica y también hace que el grano sea fino, haciendo también que el tamaño de grano del circonato de neodimio sea mucho más pequeño. Además, también dificulta la propagación de grietas, mejorando así la tenacidad a la fractura de los materiales cerámicos. Para explorar si el mecanismo de endurecimiento en NZO se debe al endurecimiento por cambio de fase, la Fig. 16 muestra que la fase monoclínica (m-ZrO2) de circonio aparece tanto en 178 cm-1 como en 188 cm-1 de los espectros Raman probados del La puntuación de calidad de 3YSZ es del 80% de la muestra, lo que indica que se ha producido una transformación martensítica de t-ZrO2 a m-ZrO2.

Espectros Raman en la indentación de la muestra cerámica sinterizada a 1400 °C con una cantidad de 3YSZ igual al 80%.

La cerámica púrpura se puede preparar mediante mezclas de circonato de neodimio y circonita estabilizada con itria (3YSZ) y sinterizarse en el rango de temperatura de 1400 a 1500 °C, lo que da como resultado una amplia gama de tonos que posiblemente se utilizarán en dispositivos portátiles inteligentes.

Los resultados del análisis de espectroscopía de reflectancia UV muestran que con el aumento del contenido de 3YSZ, la absorción de luz visible por la muestra cerámica disminuye y el valor de brillo de la muestra cerámica aumenta.

La adición de 3YSZ al circonato de neodimio da como resultado granos refinados, mejorando así sus propiedades mecánicas: la dureza Vickers aumentó a 12,93 GPa para una adición del 80% en peso de 3YSZ, lo que representa un aumento de casi el 88% en comparación con el circonato de neodimio puro; tenacidad a la fractura de 8,15 MPa‧m1/2, que es casi el doble en comparación con el circonato de neodimio puro debido al endurecimiento por cambio de fase.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado (y sus archivos de información complementaria).

Se ha publicado una corrección a este artículo: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38494-y

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Esta investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (No. 51864038), el apoyo del Programa para el Equipo de Investigación Innovadora en Universidades de la Región Autónoma de Mongolia Interior (No. NMGIRT2215) y la Fundación de Ciencias Naturales de Mongolia Interior (No. 2022JQ09, 2021MS02022 y 2022MS05009) y el Fondo de Investigación Científica de Educación Superior en la Región Autónoma de Mongolia Interior (No.NJZY21381) y el Fondo de Iniciación de Investigación de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Mongolia Interior (0303052206) y el Proyecto del Fondo Empresarial de Investigación Científica Básica de Universidades Directamente Bajo el Interior Región Autónoma de Mongolia (0406082224) y Proyecto de Investigación en Ciencia y Tecnología de Educación Superior de Mongolia Interior (Nº NJZY23084).

Laboratorio clave de cerámica y dispositivos avanzados de Mongolia Interior, Escuela de Materiales y Metalurgia, Universidad de Ciencia y Tecnología de Mongolia Interior, Baotou, 014010, Mongolia Interior, China

Lihe Wang, Yonghui Wang, Qingchun Wang, Yuwei Ma, Fei Ruan, Yonghe Zhang, Haodong Lv, Qiang Jing y Jinxiao Bao

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Todos los autores leyeron y comentaron el manuscrito.

Correspondencia a Jinxiao Bao.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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La versión original en línea de este artículo fue revisada: La versión original de este artículo contenía errores en las Figuras 1, 2, 4, 5, 6, 7 y las leyendas adjuntas, donde las etiquetas de la fase tetragonal eran incorrectas.

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Wang, L., Wang, Y., Wang, Q. et al. Estudio sobre la preparación y propiedades mecánicas de la cerámica morada. Representante científico 13, 8755 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35957-0

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Recibido: 05 de febrero de 2023

Aceptado: 26 de mayo de 2023

Publicado: 30 de mayo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35957-0

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