Революционно новый метод обнаружения материалов

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 Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, Северо-Западного университета и Чикагского университета создала новый метод 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.

«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».

Нетрадиционные сверхпроводники

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.

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 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 по Фаренгейту .

• «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 Nature, 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».

Экспериментальные данные

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 толщиной в атом и цепочки несвязанных молекул. 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.

Источник

Метки: Магниты