Talrijke huidige technologische ontwikkelingen zijn afhankelijk van de behoefte aan nieuwe materiële ontdekkingen. Begrip van reactiviteitspatronen is echter noodzakelijk voor het ontwerpen van synthesemethoden die leiden tot nieuwe en gerichte vastestofmaterialen. Vooruitgang in de synthesewetenschap is nodig om de productiviteit te verhogen en de ontdekking van nieuwe materialen te bespoedigen.
Wetenschappers van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) Nationaal laboratorium van Argonne, Northwestern Universiteit en The University of Chicago hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het ontdekken en maken van nieuwe kristallijne materialen met twee of meer elementen.
Xiuquan Zhou, een postdoc bij Argonne en de eerste auteur van het artikel, zei: “Onze uitvindingsmethode is voortgekomen uit onderzoek naar onconventionele supergeleiders. Dit zijn vaste stoffen met twee of meer elementen, waarvan er minstens één geen metaal is. En ze zijn niet langer bestand tegen de doorgang van elektriciteit bij verschillende temperaturen – overal van kouder dan de ruimte tot die in mijn kantoor.”
Het uitvindingsproces van het team begint met een oplossing die uit twee componenten bestaat. Eén daarvan is een zeer efficiënt oplosmiddel. Alle vaste stoffen die aan de oplossing worden toegevoegd, lossen erin op en gaan ermee in wisselwerking. Het alternatief is een minder krachtig oplosmiddel. Het is er echter om aan te passen hoe de reactie zich gedraagt wanneer andere elementen worden toegevoegd om een nieuwe vaste stof te genereren. Tijdens deze afstemming worden de temperatuur en de verhouding van de twee componenten beide aangepast. Hier varieert de temperatuur van 750 tot 1,300 graden Fahrenheit, wat behoorlijk hoog is.
Mercouri Kanatzidis, hoogleraar scheikunde aan Northwestern met een gezamenlijke aanstelling in Argonne, zei: ‘Het gaat ons niet om het beter maken van bekende materialen, maar om het ontdekken van materialen waarvan niemand wist of waarvan theoretici zelfs maar dachten dat ze bestonden. Met deze methode kunnen we reactiepaden naar bekende materialen vermijden en nieuwe paden volgen naar het onbekende en onvoorspelbare.”
Voor het testen pasten wetenschappers hun methode toe op kristallijne verbindingen gemaakt van drie tot vijf elementen. Hun ontdekkingsmethode leverde 30 voorheen onbekende verbindingen op. Tien van hen hebben structuren die nog nooit eerder zijn gezien.
Bij de 17-BM-B van de Advanced Photon Source van de X-ray Science Division, een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science in Argonne, en de UChicago ChemMatCARS-bundellijn op 15-ID-D, hebben de wetenschappers enkele kristallen gemaakt van enkele van deze nieuwe verbindingen en beschreef hun structuren.
17-BM-B bundellijnwetenschapper Wenqian Xu zei'Met bundellijn 17-BM-B van de APS konden we de evolutie van de structuren volgen voor de verschillende chemische fasen die zich tijdens het reactieproces vormden.”
Zhou zei, “Traditioneel hebben scheikundigen nieuwe materialen uitgevonden en gemaakt, uitsluitend op basis van kennis van de uitgangsingrediënten en het eindproduct. Dankzij de APS-gegevens konden we ook rekening houden met de tussenproducten die tijdens een reactie ontstaan.”
Gegeven dat vrijwel elk kristallijn materiaal met deze techniek kan worden verwerkt, is dit nog maar het begin van wat mogelijk is. Het kan ook worden gebruikt om verschillende kristalformaties te creëren. Dit omvat lagen die meerdere keren gelaagd zijn, een laag die slechts één atoom dik is, en ketens van niet-verbonden moleculen.
Dergelijke ongebruikelijke structuren hebben verschillende eigenschappen en zijn de sleutel tot ontwikkeling materialen van de volgende generatie niet alleen van toepassing op supergeleiders, maar ook op micro-elektronica, batterijen, magneten en meer.
Journal Reference:
- Xiuquan Zhou et al., Ontdekking van chalcogenidenstructuren en composities met behulp van gemengde fluxen, NATUUR (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05307-7
