Zahlreiche aktuelle technologische Fortschritte hängen von der Notwendigkeit neuer Materialentdeckungen ab. Allerdings ist das Verständnis der Reaktivitätsmuster für die Entwicklung von Synthesemethoden erforderlich, die zu neuen und zielgerichteten Festkörpermaterialien führen. Fortschritte in der Synthesewissenschaft sind erforderlich, um die Produktivität zu steigern und die Entdeckung neuer Materialien zu beschleunigen.
Wissenschaftler des US-Energieministeriums (DOE) Argonne National Laboratory, Northwestern University und The University of Chicago haben eine neue Methode zur Entdeckung und Herstellung neuer kristalliner Materialien mit zwei oder mehr Elementen entwickelt.
Xiuquan Zhou, Postdoktorand bei Argonne und Erstautor der Arbeit, sagte: „Unsere Erfindungsmethode entstand aus der Forschung zu unkonventionellen Supraleitern. Dabei handelt es sich um Festkörper mit zwei oder mehr Elementen, von denen mindestens eines kein Metall ist. Und sie widerstehen dem Stromdurchgang bei unterschiedlichen Temperaturen nicht mehr – von kälter als im Weltall bis zu der Temperatur in meinem Büro.“
Der Erfindungsprozess des Teams beginnt mit einer Lösung aus zwei Komponenten. Eines davon ist ein sehr effizientes Lösungsmittel. Alle der Lösung zugesetzten Feststoffe lösen sich darin auf und interagieren mit ihr. Die Alternative ist ein weniger wirksames Lösungsmittel. Es dient jedoch dazu, das Verhalten der Reaktion anzupassen, wenn andere Elemente hinzugefügt werden, um einen neuen Feststoff zu erzeugen. Bei dieser Abstimmung werden sowohl die Temperatur als auch das Verhältnis der beiden Komponenten angepasst. Hier liegen die Temperaturen zwischen 750 und 1,300 Grad Fahrenheit, was ziemlich hoch ist.
Mercouri Kanatzidis, ein Chemieprofessor an der Northwestern University mit einer gemeinsamen Anstellung an der Argonne, sagte: „Es geht uns nicht darum, bekannte Materialien zu verbessern, sondern darum, Materialien zu entdecken, von denen niemand etwas wusste oder von deren Existenz die Theoretiker noch nicht einmal annahmen.“ Mit dieser Methode können wir Reaktionswege zu bekannten Materialien vermeiden und neue Wege ins Unbekannte und Unvorhersehbare beschreiten.“
Zum Testen wandten die Wissenschaftler ihre Methode auf kristalline Verbindungen aus drei bis fünf Elementen an. Ihre Entdeckungsmethode ergab 30 bisher unbekannte Verbindungen. Zehn von ihnen weisen Strukturen auf, die noch nie zuvor gesehen wurden.
Am 17-BM-B der Advanced Photon Source der X-ray Science Division, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science in Argonne, und an der UChicago ChemMatCARS-Beamline am 15-ID-D haben die Wissenschaftler von einigen davon Einkristalle hergestellt neuartige Verbindungen und beschrieb ihre Strukturen.
17-BM-B-Beamline-Wissenschaftler Wenqian Xu sagte"Mit der Strahlführung 17-BM-B des APS konnten wir die Entwicklung der Strukturen für die verschiedenen chemischen Phasen verfolgen, die sich während des Reaktionsprozesses bildeten.“
Zhou sagte: „Traditionell haben Chemiker neue Materialien erfunden und hergestellt, indem sie sich nur auf die Kenntnis der Ausgangsstoffe und des Endprodukts verlassen haben. Mithilfe der APS-Daten konnten wir auch die Zwischenprodukte berücksichtigen, die während einer Reaktion entstehen.“
Da mit dieser Technik praktisch jedes kristalline Material verarbeitet werden kann, ist dies erst der Anfang dessen, was möglich ist. Es können auch verschiedene Kristallformationen erzeugt werden. Dabei handelt es sich um mehrfach geschichtete Schichten, eine nur ein Atom dicke Schicht und Ketten aus unverbundenen Molekülen.
Solche ungewöhnlichen Strukturen haben unterschiedliche Eigenschaften und sind für die Entwicklung von entscheidender Bedeutung Materialien der nächsten Generation anwendbar nicht nur auf Supraleiter, sondern auch auf Mikroelektronik, Batterien, Magnete und mehr.
Journal Referenz:
- Xiuquan Zhou et al., Entdeckung von Chalkogenidstrukturen und -zusammensetzungen unter Verwendung gemischter Flussmittel, Natur (2022). zurück 10.1038/s41586-022-05307-7
