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Ähnlich gehen Chemiker vor, wenn sie neue Verbindungen erfinden. Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE), der Northwestern University und der University of Chicago haben eine neue Methode zur Entdeckung und Herstellung neuer kristalliner Materialien mit zwei oder mehr Elementen entwickelt.
„Wir gehen davon aus, dass sich unsere Arbeit für die Chemie-, Material- und Kondensierte-Materie-Gemeinschaften als äußerst wertvoll erweisen wird, um neue und derzeit unvorhersehbare Materialien mit exotischen Eigenschaften zu synthetisieren“, sagte Mercouri Kanatzidis, Chemieprofessor an der Northwestern mit einer gemeinsamen Berufung an der Argonne.
„Unsere Erfindungsmethode ist aus der Forschung an unkonventionellen Supraleitern hervorgegangen“, sagte Xiuquan Zhou, Postdoc bei Argonne und Erstautor der Veröffentlichung. „Dies sind Festkörper mit zwei oder mehr Elementen, von denen mindestens eines kein Metall ist. Und sie hören auf, dem Durchgang von Elektrizität bei unterschiedlichen Temperaturen zu widerstehen – von kälter als im Weltraum bis zu denen in meinem Büro.“
In den letzten fünf Jahrzehnten haben Wissenschaftler viele unkonventionelle Supraleiter mit überraschenden magnetischen und elektrischen Eigenschaften entdeckt und hergestellt. Solche Materialien haben eine breite Palette möglicher Anwendungen, wie verbesserte Stromerzeugung, Energieübertragung und Hochgeschwindigkeitstransport. Sie haben auch das Potenzial für den Einbau in zukünftige Teilchenbeschleuniger, Magnetresonanztomographiesysteme, Quantencomputer und energieeffiziente Mikroelektronik.
Die Erfindungsmethode des Teams beginnt mit einer Lösung aus zwei Komponenten. Eines ist ein hochwirksames Lösungsmittel. Es löst sich auf und reagiert mit allen Feststoffen, die der Lösung zugesetzt werden. Das andere ist ein weniger wirksames Lösungsmittel. Aber es ist dazu da, die Reaktion so abzustimmen, dass bei Zugabe verschiedener Elemente ein neuer Feststoff entsteht. Bei dieser Abstimmung werden das Verhältnis der beiden Komponenten und die Temperatur verändert. Hier ist die Temperatur ziemlich hoch, von 750 bis 1.300 Grad Fahrenheit.
„Uns geht es nicht darum, bekannte Materialien besser zu machen, sondern Materialien zu entdecken, von denen niemand wusste oder von denen Theoretiker überhaupt glaubten, dass sie existieren“, bemerkte Kanatzidis. „Mit dieser Methode können wir Reaktionswege zu bekannten Materialien vermeiden und neue Wege ins Unbekannte und Unvorhergesehene gehen.“
Als Testfall wandten die Forscher ihre Methode auf kristalline Verbindungen aus drei bis fünf Elementen an. Wie kürzlich in berichtet Natur, ergab ihre Entdeckungsmethode 30 bisher unbekannte Verbindungen. Zehn von ihnen haben Strukturen, die noch nie zuvor gesehen wurden.
Das Team präparierte Einkristalle einiger dieser neuen Verbindungen und charakterisierte ihre Strukturen an der ChemMatCARS-Beamline von UChicago bei 15-ID-D und 17-BM-B der X-ray Science Division der Advanced Photon Source, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science bei Argonne. „Mit der Beamline 17-BM-B des APS konnten wir die Entwicklung der Strukturen für die verschiedenen chemischen Phasen verfolgen, die sich während des Reaktionsprozesses gebildet haben“, sagte der 17-BM-B-Beamline-Wissenschaftler Wenqian Xu.
„Traditionell haben Chemiker neue Materialien erfunden und hergestellt, indem sie sich nur auf die Kenntnis der Ausgangsstoffe und des Endprodukts verlassen“, sagte Zhou. „Mit den APS-Daten konnten wir auch die Zwischenprodukte berücksichtigen, die bei einer Reaktion entstehen.“
Das Center for Nanoscale Materials, eine weitere Nutzereinrichtung des DOE Office of Science in Argonne, steuerte wichtige experimentelle Daten und theoretische Berechnungen zum Projekt bei.
Das ist erst der Anfang des Möglichen, denn die Methode lässt sich auf nahezu jeden kristallinen Festkörper anwenden. Es kann auch zur Herstellung vieler verschiedener Kristallstrukturen angewendet werden. Dazu gehören mehrere gestapelte Schichten, eine einzelne Schicht, die ein Atom dick ist, und Ketten von Molekülen, die nicht miteinander verbunden sind. Solche ungewöhnlichen Strukturen haben unterschiedliche Eigenschaften und sind der Schlüssel zur Entwicklung von Materialien der nächsten Generation, die nicht nur für Supraleiter, sondern auch für Mikroelektronik, Batterien, Magnete und mehr geeignet sind.
Co-Autoren der Studie sind neben Zhou, Kanatzidis und Xu CVS Kolluru, L. Wang, T. Chang, Y.-S. Chen, L. Yu, J. Wen, MKY Chan und D.-Y. Chung.
Mehr Informationen:
Xiuquan Zhou et al, Entdeckung von Chalkogenidstrukturen und -zusammensetzungen unter Verwendung gemischter Flussmittel, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05307-7