Многочисленные текущие технологические достижения зависят от необходимости открытия новых материалов. Однако понимание закономерностей реакционной способности необходимо для разработки методов синтеза, которые приводят к созданию новых и целевых твердотельных материалов. Достижения науки о синтезе необходимы для повышения производительности и ускорения открытия новых материалов.
Ученые Министерства энергетики США (DOE) Национальная лаборатория Аргон, Северо-Западный университет и The Чикагский университет разработали новый метод открытия и создания новых кристаллических материалов с двумя или более элементами.
Сюцюань Чжоу, постдок из Аргонны и первый автор статьи, сказал: «Наш метод изобретения вырос из исследований нетрадиционных сверхпроводников. Это твердые тела, состоящие из двух и более элементов, хотя бы один из которых не является металлом. И они перестают сопротивляться прохождению электричества при разных температурах — от холоднее, чем в космосе, до той, что в моем офисе».
Процесс изобретения команды начинается с решения, состоящего из двух компонентов. Один из них является очень эффективным растворителем. Любые твердые вещества, добавленные в раствор, растворяются в нем и взаимодействуют с ним. Альтернативой является менее сильный растворитель. Однако он позволяет регулировать поведение реакции при добавлении других элементов для образования нового твердого тела. Во время этой настройки регулируются температура и соотношение двух компонентов. Здесь температура колеблется от 750 до 1,300 градусов по Фаренгейту, что довольно высоко.
Меркури Канацидис, профессор химии в Северо-Западном университете с совместным назначением в Аргонне, сказал: «Нас интересует не улучшение известных материалов, а открытие материалов, о существовании которых никто не знал или о существовании которых теоретики даже не подозревали. С помощью этого метода мы можем избежать реакций на известные материалы и пойти новыми путями в неизвестное и непредсказуемое».
Для тестирования ученые применили свой метод к кристаллическим соединениям, состоящим из трех-пяти элементов. Метод их открытия позволил обнаружить 30 ранее неизвестных соединений. В десяти из них есть структуры, никогда ранее не встречавшиеся.
В 17-BM-B Отдела рентгеновских исследований Усовершенствованного источника фотонов, в пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики США в Аргонне и на лучевой линии ChemMatCARS Калифорнийского университета в Чикаго в 15-ID-D ученые создали монокристаллы некоторых из этих новые соединения и описали их структуры.
Ученый по лучу 17-BM-B Вэньцянь Сюй — сказал"С помощью канала 17-BM-B APS мы смогли отслеживать эволюцию структур различных химических фаз, образующихся в процессе реакции».
Чжоу сказал, «Традиционно химики изобретали и создавали новые материалы, полагаясь только на знание исходных ингредиентов и конечного продукта. Данные APS позволили нам также учесть промежуточные продукты, образующиеся в ходе реакции».
Учитывая, что с помощью этой технологии можно обработать практически любой кристаллический материал, это только начало того, что возможно. Его также можно использовать для создания различных кристаллических образований. Он включает в себя слои, наложенные много раз, слой толщиной всего в один атом и цепочки несвязанных молекул.
Такие необычные структуры обладают разными свойствами и являются ключом к разработке материалы нового поколения применимо не только к сверхпроводникам, но и к микроэлектронике, батареям, магнитам и т. д.
Справочник журнала:
- Сюцюань Чжоу и др., Открытие структур и составов халькогенидов с использованием смешанных флюсов, природа (2022). ДОИ: 10.1038/s41586-022-05307-7
