התקדמויות טכנולוגיות רבות עדכניות תלויות בצורך בתגליות חומריות חדשות. עם זאת, הבנה של דפוסי תגובתיות נחוצה לתכנון שיטות סינתזה המובילות לחומרים חדשים וממוקדים במצב מוצק. נדרשות התקדמות מדעית בסינתזה כדי להגביר את הפרודוקטיביות ולהאיץ את גילוי חומרים חדשים.
מדענים במשרד האנרגיה האמריקאי (DOE) המעבדה הלאומית Argonne, אוניברסיטת נורת'ווסטרן ו-The אוניברסיטת שיקגו פיתחו שיטה חדשה לגילוי והכנת חומרים גבישיים חדשים עם שני אלמנטים או יותר.
Xiuquan Zhou, פוסט דוקטורט ב-Argonne והמחבר הראשון של המאמר, אמר: "שיטת ההמצאה שלנו צמחה ממחקר על מוליכים לא שגרתיים. אלו הם מוצקים עם שני יסודות או יותר, שלפחות אחד מהם אינו מתכת. והם מפסיקים להתנגד למעבר של חשמל בטמפרטורות שונות - בין קר יותר מהחלל החיצון לזה במשרד שלי".
תהליך ההמצאה של הצוות מתחיל בפתרון העשוי משני מרכיבים. האחד הוא ממס יעיל מאוד. כל מוצק שמתווסף לתמיסה מתמוסס בו ויוצר איתה אינטראקציה. האלטרנטיבה היא ממס פחות חזק. עם זאת, הוא שם כדי להתאים את אופן התנהלות התגובה כאשר מוסיפים אלמנטים אחרים כדי ליצור מוצק חדש. הטמפרטורה והיחס של שני הרכיבים מותאמים במהלך כוונון זה. כאן, הטמפרטורה נעה בין 750 ל-1,300 מעלות פרנהייט, שזה די גבוה.
מרקורי קנאצידיס, פרופסור לכימיה ב-Northwestern עם מינוי משותף ב-Argonne, אמר: "אנחנו לא עוסקים בהפיכת חומרים ידועים לטובים יותר, אלא בגילוי חומרים שאיש לא ידע עליהם או שתיאורטיקנים שיערו שהם בכלל קיימים. בשיטה זו נוכל להימנע ממסלולי תגובה לחומרים ידועים וללכת בדרכים חדשות אל הלא נודע והבלתי צפוי".
לצורך בדיקה, מדענים יישמו את השיטה שלהם על תרכובות גבישיות העשויות משלושה עד חמישה יסודות. שיטת הגילוי שלהם הניבה 30 תרכובות שלא היו ידועות בעבר. לעשרה מהם יש מבנים שטרם נראו.
ב-17-BM-B של חטיבת הרנטגן של ה-Advanced Photon Source, מתקן משתמש של DOE Office of Science ב-Argonne, ובקו הקרן UChicago ChemMatCARS ב-15-ID-D, המדענים יצרו גבישים בודדים של כמה מהם. תרכובות חדשות ותיארו את המבנים שלהן.
מדען קו קרן 17-BM-B Wenqian Xu אמר"עם קו קרן 17-BM-B של ה-APS, הצלחנו לעקוב אחר התפתחות המבנים עבור השלבים הכימיים השונים שנוצרו במהלך תהליך התגובה."
ג'ואו אמר, "באופן מסורתי, כימאים המציאו וייצרו חומרים חדשים תוך הסתמכות רק על הידע של המרכיבים ההתחלתיים והמוצר הסופי. נתוני ה-APS אפשרו לנו לקחת בחשבון גם את תוצרי הביניים שנוצרים במהלך תגובה".
בהתחשב בכך שניתן לעבד כמעט כל חומר גבישי בטכניקה זו, זו רק ההתחלה של מה שאפשר. זה יכול לשמש גם ליצירת מגוון של תצורות גבישים. זה כולל שכבות מרובדות מספר רב של פעמים, שכבה בעובי אטום אחד בלבד, ושרשראות של מולקולות לא מחוברות.
למבנים יוצאי דופן כאלה יש תכונות שונות והם מפתח לפיתוח חומרים מהדור הבא חל לא רק על מוליכים אלא גם על מיקרואלקטרוניקה, סוללות, מגנטים ועוד.
עיון ביומן:
- Xiuquan Zhou et al, גילוי של מבנים והרכבים של כלקוגנידס באמצעות שטפים מעורבים, טבע (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05307-7
