Liczne obecne osiągnięcia technologiczne zależą od potrzeby nowych odkryć materiałowych. Jednakże zrozumienie wzorców reaktywności jest konieczne do zaprojektowania metod syntezy prowadzących do nowych i docelowych materiałów w stanie stałym. Aby zwiększyć produktywność i przyspieszyć odkrywanie nowych materiałów, niezbędny jest postęp w nauce w zakresie syntezy.
Naukowcy z Departamentu Energii USA (DOE) Argonne National Laboratory, Northwestern University i The University of Chicago opracowali nową metodę odkrywania i wytwarzania nowych materiałów krystalicznych zawierających dwa lub więcej pierwiastków.
Xiuquan Zhou, postdoc w Argonne i pierwszy autor artykułu, powiedział: „Nasza metoda wynalazcza wyrosła z badań nad niekonwencjonalnymi nadprzewodnikami. Są to ciała stałe zawierające dwa lub więcej pierwiastków, z których przynajmniej jeden nie jest metalem. I przestają stawiać opór przepływowi prądu w różnych temperaturach – od zimniejszych niż przestrzeń kosmiczna po tę w moim biurze.
Proces wynalazczy zespołu rozpoczyna się od rozwiązania składającego się z dwóch komponentów. Jednym z nich jest bardzo skuteczny rozpuszczalnik. Wszelkie ciała stałe dodane do roztworu rozpuszczają się w nim i wchodzą z nim w interakcję. Alternatywą jest słabszy rozpuszczalnik. Jednakże istnieje możliwość dostosowania zachowania reakcji po dodaniu innych pierwiastków w celu wytworzenia nowej bryły. Podczas tego dostrajania regulowana jest temperatura i stosunek obu składników. Tutaj temperatura waha się od 750 do 1,300 stopni Fahrenheita, czyli jest dość wysoka.
Mercouri Kanatzidis, profesor chemii w Northwestern ze wspólną nominacją w Argonne, powiedział: „Nie interesuje nas ulepszanie znanych materiałów, ale odkrywanie materiałów, o których nikt nie wiedział lub o których teoretycy w ogóle nie marzyli. Dzięki tej metodzie możemy uniknąć ścieżek reakcji na znane materiały i podążać nowymi ścieżkami w nieznane i nieprzewidywalne.”
Do testów naukowcy zastosowali swoją metodę do związków krystalicznych składających się z trzech do pięciu pierwiastków. Ich metoda odkrycia pozwoliła uzyskać 30 nieznanych wcześniej związków. Dziesięć z nich ma konstrukcje, których nigdy wcześniej nie widziano.
W 17-BM-B Advanced Photon Source należącym do Wydziału Nauk Rentgenowskich, w ośrodku użytkownika DOE Office of Science w Argonne oraz na linii promienia UChicago ChemMatCARS w 15-ID-D, naukowcy stworzyli monokryształy niektórych z nich nowe związki i opisał ich strukturę.
Naukowiec zajmujący się linią wiązkową 17-BM-B, Wenqian Xu powiedziany"Dzięki linii wiązki 17-BM-B APS byliśmy w stanie prześledzić ewolucję struktur różnych faz chemicznych powstałych podczas procesu reakcji”.
Zhou powiedział, „Tradycyjnie chemicy wymyślali i wytwarzali nowe materiały, opierając się wyłącznie na wiedzy na temat składników wyjściowych i produktu końcowego. Dane APS pozwoliły nam uwzględnić również produkty pośrednie powstające podczas reakcji.”
Biorąc pod uwagę, że tą techniką można przetwarzać praktycznie każdy materiał krystaliczny, to dopiero początek tego, co jest możliwe. Można go również wykorzystać do tworzenia różnorodnych formacji krystalicznych. Składa się z warstw wielokrotnie ułożonych warstwowo, warstwy o grubości tylko jednego atomu i łańcuchów niepołączonych cząsteczek.
Takie nietypowe konstrukcje mają różne właściwości i są kluczem do rozwoju materiały nowej generacji ma zastosowanie nie tylko do nadprzewodników, ale także do mikroelektroniki, baterii, magnesów i nie tylko.
Referencje czasopisma:
- Xiuquan Zhou i in., Odkrycie struktur i składów chalkogenidów przy użyciu topników mieszanych, Natura (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05307-7
