Numerosi progressi tecnologici attuali dipendono dalla necessità di scoperte di nuovi materiali. Tuttavia, la comprensione dei modelli di reattività è necessaria per progettare metodi di sintesi che portino a materiali allo stato solido nuovi e mirati. I progressi della scienza di sintesi sono necessari per aumentare la produttività e accelerare la scoperta di nuovi materiali.
Scienziati del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory, Northwestern University e The University of Chicago hanno sviluppato un nuovo metodo per scoprire e realizzare nuovi materiali cristallini con due o più elementi.
Xiuquan Zhou, postdoc presso Argonne e primo autore dell’articolo, ha dichiarato: “Il nostro metodo di invenzione è nato dalla ricerca sui superconduttori non convenzionali. Sono solidi con due o più elementi, almeno uno dei quali non è un metallo. E cessano di resistere al passaggio dell’elettricità a diverse temperature, ovunque, da quelle più fredde dello spazio a quelle del mio ufficio”.
Il processo di invenzione del team inizia con una soluzione composta da due componenti. Uno è un solvente molto efficiente. Eventuali solidi aggiunti alla soluzione si dissolvono in essa e interagiscono con essa. L'alternativa è un solvente meno potente. Tuttavia, è lì per regolare il comportamento della reazione quando vengono aggiunti altri elementi per generare un nuovo solido. La temperatura e il rapporto dei due componenti vengono entrambi regolati durante questa messa a punto. Qui la temperatura varia da 750 a 1,300 gradi Fahrenheit, che è piuttosto alta.
Mercouri Kanatzidis, professore di chimica alla Northwestern con un incarico congiunto ad Argonne, ha dichiarato: “Non ci preoccupiamo di migliorare i materiali conosciuti, ma di scoprire materiali di cui nessuno conosceva o che i teorici immaginavano esistessero. Con questo metodo possiamo evitare percorsi di reazione verso materiali conosciuti e seguire nuovi percorsi verso l’ignoto e l’imprevisto”.
Per i test, gli scienziati hanno applicato il loro metodo a composti cristallini composti da tre a cinque elementi. Il loro metodo di scoperta ha prodotto 30 composti precedentemente sconosciuti. Dieci di loro hanno strutture mai viste prima.
Presso il 17-BM-B della Advanced Photon Source della Divisione scientifica a raggi X, una struttura utente del DOE Office of Science ad Argonne e la linea di luce ChemMatCARS di UChicago a 15-ID-D, gli scienziati hanno creato cristalli singoli di alcuni di questi nuovi composti e ne descrissero le strutture.
Lo scienziato della linea di luce 17-BM-B Wenqian Xu disse, "Con la linea di luce 17-BM-B dell’APS, siamo stati in grado di tracciare l’evoluzione delle strutture delle diverse fasi chimiche che si sono formate durante il processo di reazione”.
Zhou ha detto, “Tradizionalmente, i chimici hanno inventato e realizzato nuovi materiali basandosi solo sulla conoscenza degli ingredienti di partenza e del prodotto finale. I dati APS ci hanno permesso di tenere conto anche dei prodotti intermedi che si formano durante una reazione”.
Dato che praticamente qualsiasi materiale cristallino può essere lavorato con questa tecnica, questo è solo l'inizio di ciò che è possibile. Può anche essere utilizzato per creare una varietà di formazioni cristalline. Questo comprende strati stratificati numerose volte, uno strato spesso solo un atomo e catene di molecole non collegate.
Tali strutture insolite hanno proprietà diverse e sono fondamentali per lo sviluppo materiali di prossima generazione applicabile non solo ai superconduttori ma anche alla microelettronica, alle batterie, ai magneti e altro ancora.
Riferimento della Gazzetta:
- Xiuquan Zhou et al, Scoperta di strutture e composizioni di calcogenuri utilizzando flussi misti, Natura (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05307-7
