Ученые разработали новую методику открытия и синтеза новых кристаллических материалов, состоящих из двух и более элементов. Эти материалы имеют потенциальное применение в энергетике, транспорте и микроэлектронике, включая ускорители частиц, МРТ, квантовые вычисления и энергоэффективность.
Исследователи открыли метод создания новых материалов для использования в батареях, магнитах и микроэлектронике.
Самые опытные художники могут создать единственный в своем роде шедевр, используя всего несколько разных цветов краски. Они достигают этого, используя вдохновение, прошлые художественные знания и принципы, усвоенные за годы практики в студии.
Химики используют аналогичный процесс при разработке новых соединений. Группа исследователей из г. Министерство энергетики США Аргоннская национальная лаборатория, Северо-Западный университети Чикагский университет создал новую технику для идентификации и синтеза кристаллических материалов, содержащих два или более элементов.
«Мы ожидаем, что наша работа окажется чрезвычайно ценной для сообществ химиков, материалов и конденсированных сред для синтеза новых и в настоящее время непредсказуемых материалов с экзотическими свойствами», — сказал Меркури Канацидис, профессор химии Северо-Западного университета, работающий по совместительству в Аргонне.
Путь реакции от простого предшественника к сложной структуре. Конечным продуктом здесь является слоистая структура из пяти элементов — натрия, бария, кислорода, меди и серы. Предоставлено: Аргоннская национальная лаборатория.
«Метод нашего изобретения вырос из исследований нетрадиционных сверхпроводников», — сказал Сюцюань Чжоу, постдоктор в Аргонне и первый автор статьи. «Это твердые тела с двумя или более элементами, по крайней мере один из которых не является металлом. И они перестают сопротивляться прохождению электричества при разных температурах — от холоднее, чем в открытом космосе, до температуры в моем офисе».
За последние пять десятилетий ученые открыли и создали множество нетрадиционных сверхпроводников с удивительными магнитными и электрическими свойствами. Такие материалы имеют широкий спектр возможных применений, таких как улучшенное производство электроэнергии, передача энергии и высокоскоростной транспорт. У них также есть потенциал для включения в будущие ускорители частиц, системы магнитно-резонансной томографии, квантовые компьютеры и энергоэффективную микроэлектронику.
Метод изобретения команды начинается с решения, состоящего из двух компонентов. Одним из них является высокоэффективный растворитель. Он растворяется и реагирует с любыми твердыми веществами, добавленными в раствор. Другой не такой хороший растворитель. Но он нужен для настройки реакции на образование нового твердого вещества при добавлении различных элементов. Эта настройка включает изменение соотношения двух компонентов и температуры. Здесь температура довольно высокая, от 750 до 1300 градусов.
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>градусыФаренгейта[{“attribute=””>Fahrenheit.
«Мы не заинтересованы в том, чтобы сделать известные материалы лучше, а в том, чтобы обнаружить материалы, о которых никто не знал или теоретики даже не предполагали, что они существуют», — отметил Канатзидис. «С помощью этого метода мы можем избежать путей реакции на известные материалы и следовать новым путям в неизвестное и непредсказуемое».
В качестве теста исследователи применили свой метод к кристаллическим соединениям, состоящим из трех-пяти элементов. Как недавно сообщалось в Природа, их метод открытия дал 30 ранее неизвестных соединений. Десять из них имеют невиданные прежде структуры.
Команда подготовила монокристаллы некоторых из этих новых соединений и охарактеризовала их структуру на линии пучка ChemMatCARS Калифорнийского университета в Чикаго на 15-ID-D и 17-BM-B отдела рентгеновских исследований усовершенствованного источника фотонов, пользовательского объекта Управления науки Министерства энергетики США. в Аргонне. «С помощью луча 17-BM-B APS мы смогли проследить эволюцию структур различных химических фаз, которые образовались в процессе реакции», — сказал ученый 17-BM-B луча Вэньцянь Сюй.
«Традиционно химики изобретали и производили новые материалы, полагаясь только на знание исходных ингредиентов и конечного продукта», — сказал Чжоу. «Данные APS позволили нам также учесть промежуточные продукты, образующиеся в ходе реакции».
Центр наноразмерных материалов, еще один пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики США в Аргонне, предоставил ключевые экспериментальные данные и теоретические расчеты для проекта.
И это только начало того, что возможно, поскольку метод можно применить практически к любому кристаллическому телу. Его также можно применять для создания множества различных кристаллических структур. Это включает в себя несколько сложенных слоев, один слой и
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>атом[{“attribute=””>atom толстые, и цепи молекул, которые не связаны между собой. Такие необычные структуры обладают разными свойствами и являются ключом к разработке материалов следующего поколения, применимых не только в сверхпроводниках, но и в микроэлектронике, батареях, магнитах и многом другом.
Ссылка: «Открытие структур и составов халькогенидов с использованием смешанных флюсов» Сюцюань Чжоу, Венката Сурья Чайтанья Коллуру, Вэньцянь Сюй, Люцин Ван, Теян Чанг, Ю-Шэн Чен, Лей Ю, Цзяньго Вэнь, Мария К.И. Чан, Дак Янг Чунг и Меркури Г. Канацидис, 9 ноября 2022 г., Природа.
DOI: 10.1038/s41586-022-05307-7
Исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США по программе фундаментальных энергетических наук.
