Новые материалы для аккумуляторов, магнитов и микроэлектроники

Самые талантливые художники мира могут использовать всего несколько разных красок, чтобы создать уникальный холст, подходящий для музея. Они достигают этого, опираясь на вдохновение, исторические знания и принципы дизайна, которые они усвоили за годы работы в студии.

Химики используют аналогичные процессы при создании новых соединений. Разработано исследователями из Чикагского университета, Северо-Западного университета и W. Аргоннская национальная лаборатория Министерство энергетики США (DOE).

Мы ожидаем, что наша работа будет иметь большое значение для сообществ химии, материалов и конденсированных сред для синтеза новых и в настоящее время неожиданных материалов с экзотическими свойствами.

Меркьюри Каназидис, профессор химического факультета Северо-Западного университета

Сюцюань Чжоу, первый автор исследования и исследователь с докторской степенью в Аргонне, заявил: «Наш метод изобретения вырос из исследований нетрадиционных сверхпроводников. Это твердые тела, содержащие два или более элементов, по крайней мере один из которых не является металлом. И они перестают сопротивляться прохождению электричества при разных температурах — от самых холодных в открытом космосе до тех, что в моем офисе.«

За последние 50 лет исследователи открыли и создали большое количество необычных сверхпроводников с интересными магнитными и электрическими свойствами. Эти материалы имеют широкий спектр потенциальных применений, включая улучшенную передачу энергии, производство электроэнергии и высокоскоростной транспорт.

Будущие квантовые компьютеры, МРТ-аппараты, ускорители частиц и энергоэффективная микроэлектроника могли бы воспользоваться этим преимуществом.

Процесс изобретения команды начинается с решения, состоящего из двух частей. Один действует как сильный растворитель. Любые твердые вещества, добавленные в раствор, вызывают его растворение и реакцию. Другой работает не так эффективно, как растворитель.

Однако необходимо настроить реакцию таким образом, чтобы при добавлении новых элементов образовывалось новое твердое вещество. Частью этой корректировки является изменение температуры и соотношения двух ингредиентов. Здесь температура довольно высокая, от 750 до 1300 градусов по Фаренгейту.

Канацидис отметил,Мы заинтересованы не в том, чтобы делать известные материалы лучше, а в том, чтобы открывать материалы, о существовании которых никто не знал и не мог себе представить. С помощью этого метода мы можем избежать путей реакции для известных веществ и пойти новыми путями в неизвестное и неожиданное.«

Исследователи протестировали свой подход на кристаллических соединениях из трех-пяти элементов в качестве тестового примера. В процессе их открытия было получено 30 ранее неизвестных соединений, как недавно сообщалось в природа. Десять из них имеют неслыханный архитектурный дизайн.

В отделе рентгеновских исследований 17-BM-B Advanced Photon Source, Центре научных исследований Министерства энергетики США в Аргонне и на линии пучка ChemMatCARS Калифорнийского университета в Чикаго в 15-ID-D команда подготовила монокристаллы некоторых из этих новых соединений и охарактеризовала их. структуры.

Используя Beamline 17-BM-B от APS, мы смогли проследить эволюцию структур различных химических фаз, образующихся в процессе реакции.

Вэньцянь Сюй, научный сотрудник Beamline, Аргоннская национальная лаборатория

Чжоу добавил,Традиционно химики изобретали и синтезировали новые вещества, основываясь исключительно на знании исходных ингредиентов и конечного продукта. Данные АПС также позволили учесть промежуточные продукты, образующиеся в ходе реакции.«

В проекте использовались важные экспериментальные данные и теоретические расчеты, предоставленные Центром наноматериалов, пользовательским центром Управления науки Министерства энергетики в Аргонне.

Поскольку этот метод можно использовать практически с любым кристаллическим твердым телом, это только начало того, что возможно. Его также можно использовать для создания различных кристаллических структур. Это включает в себя несколько сложенных слоев, слой толщиной в один атом и цепочки несвязанных молекул.

Эти необычные структуры обладают уникальными свойствами, необходимыми для создания материалов следующего поколения, которые можно использовать в микроэлектронике, батареях, магнитах и ​​других приложениях, помимо сверхпроводников.

Программа фундаментальных энергетических наук Управления науки Министерства энергетики предоставила финансирование для этого исследования.

Ссылка на журнал:

Чжоу, X., и другие. (2022) Открытие структур и структур халькогенидов с использованием смешанных потоков. природа. дои: 10.1038/s41586-022-05307-7.

Источник: https://www.anl.gov/