Πολλές τρέχουσες τεχνολογικές εξελίξεις εξαρτώνται από την ανάγκη για νέες ανακαλύψεις υλικού. Ωστόσο, η κατανόηση των προτύπων αντιδραστικότητας είναι απαραίτητη για το σχεδιασμό μεθόδων σύνθεσης που οδηγούν σε νέα και στοχευμένα υλικά στερεάς κατάστασης. Απαιτούνται προόδους της επιστήμης της σύνθεσης για την ενίσχυση της παραγωγικότητας και την επίσπευση της Ανακάλυψης νέων υλικών.
Επιστήμονες στο Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) Εθνικό Εργαστήριο Argonne, Πανεπιστήμιο Northwestern και The Πανεπιστήμιο του Σικάγου έχουν αναπτύξει μια νέα μέθοδο για την ανακάλυψη και την κατασκευή νέων κρυσταλλικών υλικών με δύο ή περισσότερα στοιχεία.
Ο Xiuquan Zhou, μεταδιδάκτορας στο Argonne και ο πρώτος συγγραφέας της εργασίας, είπε: «Η μέθοδος της εφεύρεσής μας προέκυψε από έρευνα σε μη συμβατικούς υπεραγωγούς. Πρόκειται για στερεά με δύο ή περισσότερα στοιχεία, εκ των οποίων τουλάχιστον ένα δεν είναι μέταλλο. Και παύουν να αντιστέκονται στο πέρασμα του ηλεκτρισμού σε διαφορετικές θερμοκρασίες - οπουδήποτε από το πιο κρύο από το διάστημα μέχρι το γραφείο μου».
Η διαδικασία εφεύρεσης της ομάδας ξεκινά με μια λύση που αποτελείται από δύο συστατικά. Το ένα είναι ένας πολύ αποτελεσματικός διαλύτης. Οποιαδήποτε στερεά προστίθενται στο διάλυμα διαλύονται σε αυτό και αλληλεπιδρούν με αυτό. Η εναλλακτική είναι ένας λιγότερο ισχυρός διαλύτης. Ωστόσο, είναι εκεί για να προσαρμόσει τον τρόπο συμπεριφοράς της αντίδρασης όταν προστίθενται άλλα στοιχεία για τη δημιουργία ενός νέου στερεού. Η θερμοκρασία και η αναλογία των δύο εξαρτημάτων προσαρμόζονται κατά τη διάρκεια αυτού του συντονισμού. Εδώ, η θερμοκρασία κυμαίνεται από 750 έως 1,300 βαθμούς Φαρενάιτ, που είναι αρκετά υψηλή.
Ο Μερκούρη Κανατζίδης, καθηγητής χημείας στο Northwestern με κοινό ραντεβού στο Argonne, είπε: «Δεν μας ενδιαφέρει να κάνουμε καλύτερα τα γνωστά υλικά αλλά με την ανακάλυψη υλικών που κανείς δεν γνώριζε ή οι θεωρητικοί φαντάζονταν ότι υπήρχαν. Με αυτή τη μέθοδο, μπορούμε να αποφύγουμε μονοπάτια αντίδρασης σε γνωστά υλικά και να ακολουθήσουμε νέα μονοπάτια προς το άγνωστο και απρόβλεπτο».
Για δοκιμές, οι επιστήμονες εφάρμοσαν τη μέθοδό τους σε κρυσταλλικές ενώσεις που αποτελούνται από τρία έως πέντε στοιχεία. Η μέθοδος ανακάλυψής τους έδωσε 30 άγνωστες προηγουμένως ενώσεις. Δέκα από αυτά έχουν δομές που δεν έχουν ξαναδεί.
Στο 17-BM-B του Advanced Photon Source του τμήματος επιστήμης ακτίνων Χ, μια εγκατάσταση χρήστη του DOE Office of Science στο Argonne και στη γραμμή δέσμης UChicago ChemMatCARS στο 15-ID-D, οι επιστήμονες δημιούργησαν μονοκρυστάλλους ορισμένων από αυτούς νέες ενώσεις και περιέγραψε τις δομές τους.
Ο επιστήμονας 17-BM-B Beamline Wenqian Xu είπε, "Με τη γραμμή δέσμης 17-BM-B του APS, μπορέσαμε να παρακολουθήσουμε την εξέλιξη των δομών για τις διαφορετικές χημικές φάσεις που σχηματίστηκαν κατά τη διαδικασία της αντίδρασης.»
Ο Ζου είπε, «Παραδοσιακά, οι χημικοί έχουν εφεύρει και κατασκευάζει νέα υλικά βασιζόμενοι μόνο στη γνώση των αρχικών συστατικών και του τελικού προϊόντος. Τα δεδομένα APS μας επέτρεψαν να λάβουμε επίσης υπόψη τα ενδιάμεσα προϊόντα που σχηματίζονται κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης.»
Δεδομένου ότι πρακτικά οποιοδήποτε κρυσταλλικό υλικό μπορεί να υποστεί επεξεργασία χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνική, αυτή είναι μόνο η αρχή του δυνατού. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία μιας ποικιλίας κρυσταλλικών σχηματισμών. Αυτό περιλαμβάνει στρώματα που στρωματοποιούνται πολλές φορές, ένα στρώμα πάχους μόνο ενός ατόμου και αλυσίδες ασύνδετων μορίων.
Τέτοιες ασυνήθιστες δομές έχουν διαφορετικές ιδιότητες και είναι το κλειδί για την ανάπτυξη υλικά επόμενης γενιάς εφαρμόζεται όχι μόνο σε υπεραγωγούς αλλά και σε μικροηλεκτρονικά, μπαταρίες, μαγνήτες και άλλα.
Αναφορά στο περιοδικό:
- Xiuquan Zhou et al, Ανακάλυψη δομών και συνθέσεων χαλκογονιδίων με χρήση μικτών ροών, Φύση (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05307-7
