Численні поточні технологічні досягнення залежать від потреби у відкритті нових матеріалів. Однак розуміння закономірностей реакційної здатності необхідне для розробки методів синтезу, які призведуть до нових і цільових твердотільних матеріалів. Щоб підвищити продуктивність і прискорити відкриття нових матеріалів, потрібні досягнення науки про синтез.
Вчені з Міністерства енергетики США (DOE) Аргонна Національна лабораторія, Північно-Західний університет і The Чиказький університет розробили новий метод для відкриття та створення нових кристалічних матеріалів з двома або більше елементами.
Xiuquan Zhou, постдоктор в Argonne та перший автор статті, сказав: «Наш метод винаходу став результатом досліджень нетрадиційних надпровідників. Це тверді тіла з двома або більше елементами, принаймні один з яких не є металом. І вони перестають чинити опір проходженню електрики за різних температур — від холоднішої за космос до моєї в офісі».
Процес винаходу команди починається з рішення, яке складається з двох компонентів. Один з них є дуже ефективним розчинником. Будь-які тверді речовини, додані до розчину, розчиняються в ньому та взаємодіють з ним. Альтернативою є менш сильний розчинник. Однак він існує, щоб регулювати те, як реакція поводиться, коли інші елементи додаються для створення нової твердої речовини. Температура та співвідношення обох компонентів регулюються під час цього налаштування. Тут температура коливається від 750 до 1,300 градусів за Фаренгейтом, що досить високо.
Меркурі Канацідіс, професор хімії в Північно-Західному університеті зі спільною посадою в Аргонні, сказав: «Ми не стурбовані покращенням відомих матеріалів, а відкриттям матеріалів, про які ніхто не знав або теоретики навіть уявляли, що існують. За допомогою цього методу ми можемо уникнути шляхів реакції на відомі матеріали та піти новими шляхами у невідоме та непередбачене».
Для перевірки вчені застосували свій метод до кристалічних сполук, що складаються з трьох-п’яти елементів. Їхній метод відкриття дав 30 раніше невідомих сполук. Десять із них мають структури, які ніколи раніше не бачили.
У відділі рентгенівської науки 17-BM-B Advanced Photon Source, користувальницькому об’єкті Управління науки Міністерства економіки США в Аргонні, і лінії променя UChicago ChemMatCARS в 15-ID-D, вчені створили монокристали деяких із цих нові сполуки та описав їх структуру.
17-BM-B Beamline учений Wenqian Xu сказав"За допомогою лінії променя 17-BM-B APS ми змогли відстежити еволюцію структур для різних хімічних фаз, які утворилися під час процесу реакції».
Чжоу сказав, «Традиційно хіміки винаходили та виготовляли нові матеріали, покладаючись лише на знання вихідних інгредієнтів і кінцевого продукту. Дані APS дозволили нам також врахувати проміжні продукти, які утворюються під час реакції».
Враховуючи, що практично будь-який кристалічний матеріал можна обробити за допомогою цієї техніки, це лише початок того, що можливо. Його також можна використовувати для створення різноманітних кристалічних утворень. Сюди входять шари, які багаторазово накладаються шарами, шар товщиною всього в один атом і ланцюжки незв’язаних молекул.
Такі незвичайні структури мають різні властивості і є ключовими для розвитку матеріали нового покоління застосовні не лише до надпровідників, а й до мікроелектроніки, батарей, магнітів тощо.
Довідка з журналу:
- Xiuquan Zhou та інші, Відкриття халькогенідних структур і композицій за допомогою змішаних потоків, природа (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05307-7
