Nhiều tiến bộ công nghệ hiện nay phụ thuộc vào nhu cầu khám phá vật liệu mới. Tuy nhiên, việc hiểu rõ các kiểu phản ứng là cần thiết để thiết kế các phương pháp tổng hợp dẫn đến các vật liệu trạng thái rắn mới và có mục tiêu. Cần có những tiến bộ khoa học tổng hợp để tăng năng suất và đẩy nhanh việc khám phá các vật liệu mới.
Các nhà khoa học tại Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) Argonne National Laboratory, Đại học Tây Bắc và Đại học Chicago đã phát triển một phương pháp mới để khám phá và chế tạo các vật liệu tinh thể mới có từ hai nguyên tố trở lên.
Xiuquan Zhou, một postdoc tại Argonne và là tác giả đầu tiên của bài báo, cho biết: “Phương pháp phát minh của chúng tôi phát triển từ nghiên cứu về các chất siêu dẫn độc đáo. Đây là những chất rắn có hai hoặc nhiều nguyên tố, ít nhất một trong số đó không phải là kim loại. Và chúng không còn cản trở sự truyền điện ở các nhiệt độ khác nhau – bất cứ nơi nào từ lạnh hơn ngoài không gian cho đến nơi trong văn phòng của tôi.”
Quá trình phát minh của nhóm bắt đầu bằng một giải pháp được tạo thành từ hai thành phần. Một là một dung môi rất hiệu quả. Bất kỳ chất rắn nào được thêm vào dung dịch đều hòa tan trong đó và tương tác với nó. Sự thay thế là một dung môi ít mạnh hơn. Tuy nhiên, nó ở đó để điều chỉnh phản ứng diễn ra như thế nào khi các nguyên tố khác được thêm vào để tạo ra chất rắn mới. Nhiệt độ và tỷ lệ của hai thành phần đều được điều chỉnh trong quá trình điều chỉnh này. Ở đây, nhiệt độ dao động từ 750 đến 1,300 độ F, khá cao.
Mercouri Kanatzidis, giáo sư hóa học tại Northwestern được bổ nhiệm chung tại Argonne, cho biết: “Chúng tôi không quan tâm đến việc làm cho các vật liệu đã biết trở nên tốt hơn mà quan tâm đến việc khám phá ra những vật liệu chưa ai biết đến hoặc các nhà lý thuyết tưởng tượng rằng thậm chí còn tồn tại. Với phương pháp này, chúng ta có thể tránh được các con đường phản ứng với các vật liệu đã biết và đi theo những con đường mới vào những thứ chưa biết và không thể đoán trước.”
Để thử nghiệm, các nhà khoa học đã áp dụng phương pháp của họ cho các hợp chất tinh thể được tạo thành từ ba đến năm nguyên tố. Phương pháp khám phá của họ đã mang lại 30 hợp chất chưa được biết đến trước đây. Mười trong số chúng có cấu trúc chưa từng thấy trước đây.
Tại 17-BM-B của Nguồn Photon nâng cao của Ban Khoa học Tia X, cơ sở dành cho người dùng của Văn phòng Khoa học DOE tại Argonne và đường truyền tia UChicago ChemMatCARS tại 15-ID-D, các nhà khoa học đã tạo ra các tinh thể đơn lẻ của một số trong số này. hợp chất mới và mô tả cấu trúc của chúng.
Nhà khoa học chùm tia 17-BM-B Wenqian Xu nói, "Với chùm tia 17-BM-B của APS, chúng tôi có thể theo dõi sự tiến hóa của cấu trúc đối với các pha hóa học khác nhau hình thành trong quá trình phản ứng.”
Chu nói, “Theo truyền thống, các nhà hóa học đã phát minh và chế tạo ra những vật liệu mới chỉ dựa vào kiến thức về nguyên liệu ban đầu và sản phẩm cuối cùng. Dữ liệu APS cũng cho phép chúng tôi tính đến các sản phẩm trung gian hình thành trong quá trình phản ứng.”
Cho rằng trên thực tế, bất kỳ vật liệu tinh thể nào cũng có thể được xử lý bằng kỹ thuật này, đây chỉ là bước khởi đầu của những gì có thể. Nó cũng có thể được sử dụng để tạo ra nhiều dạng tinh thể khác nhau. Lớp này bao gồm các lớp được xếp nhiều lớp, một lớp chỉ dày một nguyên tử và các chuỗi phân tử không liên kết với nhau.
Những cấu trúc bất thường như vậy có những đặc tính khác nhau và là chìa khóa để phát triển vật liệu thế hệ tiếp theo áp dụng cho không chỉ chất siêu dẫn mà còn cả vi điện tử, pin, nam châm, v.v.
Tạp chí tham khảo:
- Xiuquan Zhou và cộng sự, Khám phá cấu trúc và thành phần chalcogenides bằng cách sử dụng chất trợ dung hỗn hợp, Thiên nhiên (Năm 2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05307-7
