Talrige nuværende teknologiske fremskridt afhænger af behovet for nye materialefund. Imidlertid er forståelse af reaktivitetsmønstre nødvendig for at designe syntesemetoder, der fører til nye og målrettede faststofmaterialer. Syntesevidenskabelige fremskridt er nødvendige for at øge produktiviteten og fremskynde opdagelsen af nye materialer.
Forskere ved det amerikanske energiministerium (DOE) Argonne National Laboratory, Northwestern University og The University of Chicago har udviklet en ny metode til at opdage og fremstille nye krystallinske materialer med to eller flere grundstoffer.
Xiuquan Zhou, en postdoc ved Argonne og den første forfatter til papiret, sagde: "Vores opfindelsesmetode voksede ud af forskning i ukonventionelle superledere. Disse er faste stoffer med to eller flere elementer, hvoraf mindst et ikke er et metal. Og de holder op med at modstå passage af elektricitet ved forskellige temperaturer - alt fra koldere end det ydre rum til det på mit kontor."
Teamets opfindelsesproces begynder med en løsning lavet af to komponenter. Den ene er et meget effektivt opløsningsmiddel. Eventuelle faste stoffer tilsat opløsningen opløses i den og interagerer med den. Alternativet er et mindre potent opløsningsmiddel. Men det er der for at justere, hvordan reaktionen opfører sig, når andre elementer tilsættes for at generere et nyt fast stof. De to komponenters temperatur og forhold justeres begge under denne tuning. Her varierer temperaturen fra 750 til 1,300 grader Fahrenheit, hvilket er ret højt.
Mercouri Kanatzidis, en kemiprofessor ved Northwestern med en fælles ansættelse ved Argonne, sagde: "Vi er ikke optaget af at gøre kendte materialer bedre, men med at opdage materialer, som ingen kendte til eller som teoretikere overhovedet havde forestillet sig eksisterede. Med denne metode kan vi undgå reaktionsveje til kendte materialer og følge nye veje ind i det ukendte og uforudsete."
Til test anvendte forskere deres metode til krystallinske forbindelser lavet af tre til fem elementer. Deres opdagelsesmetode gav 30 hidtil ukendte forbindelser. Ti af dem har strukturer, der aldrig er set før.
På X-ray Science Divisions 17-BM-B af Advanced Photon Source, en DOE Office of Science brugerfacilitet i Argonne og UChicago ChemMatCARS beamline ved 15-ID-D, har forskerne skabt enkeltkrystaller af nogle af disse nye forbindelser og beskrev deres strukturer.
17-BM-B beamline videnskabsmand Wenqian Xu sagde"Med beamline 17-BM-B i APS var vi i stand til at spore udviklingen af strukturerne for de forskellige kemiske faser, der dannedes under reaktionsprocessen."
Zhou sagde, "Traditionelt har kemikere opfundet og fremstillet nye materialer udelukkende baseret på viden om startingredienserne og slutproduktet. APS-dataene gjorde det muligt for os også at tage hensyn til de mellemprodukter, der dannes under en reaktion."
I betragtning af, at praktisk talt ethvert krystallinsk materiale kan behandles ved hjælp af denne teknik, er dette kun begyndelsen på, hvad der er muligt. Det kan også bruges til at skabe en række krystalformationer. Dette omfatter lag, der er lagdelt adskillige gange, et lag, der kun er et atom tykt, og kæder af uforbundne molekyler.
Sådanne usædvanlige strukturer har forskellige egenskaber og er nøglen til udvikling næste generations materialer gælder ikke kun superledere, men også mikroelektronik, batterier, magneter og meget mere.
Journal Reference:
- Xiuquan Zhou et al., Opdagelse af chalcogenides strukturer og sammensætninger ved hjælp af blandede fluxer, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05307-7
