Freitag, Juni 14, 2024

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Neue Materialien für Batterien, Magnete und Mikroelektronik

Die talentiertesten Künstler der Welt können ein paar verschiedene Farben verwenden, um eine einzigartige Leinwand zu schaffen, die für ein Museum geeignet ist. Sie erreichen dies, indem sie auf Inspiration, historisches Wissen und Designprinzipien zurückgreifen, die sie sich in jahrelanger Studioarbeit angeeignet haben.

Reaktionsweg vom einfachen Vorläufer zur komplexen Struktur. Das Endprodukt ist hier ein Schichtaufbau mit fünf Elementen: Natrium, Barium, Sauerstoff, Kupfer und Schwefel. Bildnachweis: Argonne National Laboratory

Ähnliche Verfahren werden von Chemikern bei der Herstellung neuer Verbindungen verwendet. Forscher der University of Chicago, der Northwestern University und der University of Chicago haben eine innovative Technik entwickelt, um neue kristalline Materialien mit zwei oder mehr Elementen zu finden und herzustellen Argonne National Laboratory vom Energieministerium der Vereinigten Staaten (DOE).

Wir erwarten, dass unsere Arbeit für die Chemie der kondensierten Materie, Materialien und Gemeinschaften äußerst wertvoll sein wird, um neuartige und derzeit unvorhersehbare Materialien mit exotischen Eigenschaften zu synthetisieren.

Mercouri Kanatzidis, Professor, Department of Chemistry, Northwestern University

Xiuquan Zhou, Erstautor der Studie und Postdoktorand an der Argonne, erklärte: „Unsere Erfindungsmethode hat sich aus der Erforschung unkonventioneller Supraleiter entwickelt. Dies sind Festkörper mit zwei oder mehr Elementen, von denen mindestens eines kein Metall ist. Und sie können dem Durchgang von Strom bei unterschiedlichen Temperaturen nicht mehr standhalten – von kälter als im Weltraum bis zu denen in meinem Büro.

In den letzten 50 Jahren haben Forscher eine große Anzahl ungewöhnlicher Supraleiter mit faszinierenden magnetischen und elektrischen Eigenschaften gefunden und hergestellt. Diese Materialien haben eine breite Palette potenzieller Anwendungen, einschließlich verbesserter Kraftübertragung, Stromerzeugung und Hochgeschwindigkeitstransport.

Auch zukünftige Quantencomputer, Magnetresonanztomographen, Teilchenbeschleuniger und Mikroelektronik mit geringer Leistung könnten davon Gebrauch machen.

Der Erfindungsprozess des Teams beginnt mit einer zweiteiligen Lösung. Man wirkt als starkes Lösungsmittel. Jegliche Feststoffe, die der Lösung zugesetzt werden, bewirken, dass sie sich auflöst und reagiert. Das andere wirkt nicht so effektiv wie ein Lösungsmittel.

Es ist jedoch dazu da, die Reaktion so zu modifizieren, dass beim Hinzufügen neuer Elemente ein neuer Feststoff entsteht. Die Änderung der Temperatur und des Verhältnisses der beiden Komponenten ist Teil dieser Abstimmung. Hier ist die Temperatur ziemlich hoch und reicht von 750 bis 1.300 Grad Fahrenheit.

Kanatzidis kommentierte: „Uns geht es nicht darum, bekannte Materialien zu verbessern, sondern Materialien zu entdecken, von denen niemand wusste oder von denen Theoretiker überhaupt dachten, dass sie existieren. Diese Methode ermöglicht es uns, Reaktionswege zu bekannten Materialien zu vermeiden und neue Wege zu Unbekanntem und Unvorhersehbarem zu gehen.

Die Forscher testeten ihren Ansatz als Testfall an kristallinen Verbindungen, die aus drei bis fünf Elementen bestehen. Ihr Entdeckungsprozess brachte 30 zuvor unentdeckte Verbindungen hervor, wie kürzlich in berichtet wurde Natur. Zehn von ihnen haben unerhörte architektonische Designs.

An der X-Ray Science Division der Advanced Photon Source’s 17-BM-B, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science in Argonne, und der UChicago ChemMatCARS-Beamline bei 15-ID-D präparierte das Team Einkristalle einiger dieser neuartigen Verbindungen und charakterisierte ihre Strukturen.

Beamline 17-BM-B vom APS ermöglichte es uns, die Entwicklung der Strukturen für die verschiedenen chemischen Phasen zu verfolgen, die während des Reaktionsprozesses gebildet wurden.

Wenqian Xu, Beamline-Wissenschaftler, Argonne National Laboratory

Zhou fügte hinzu: „Traditionell haben Chemiker neue Materialien erfunden und hergestellt und sich dabei nur auf die Kenntnis der Ausgangsstoffe und des Endprodukts verlassen. Die APS-Daten ermöglichten es uns auch, die Zwischenprodukte zu berücksichtigen, die während einer Reaktion entstehen.

Das Projekt profitierte von wichtigen experimentellen Daten und theoretischen Berechnungen des Center for Nanoscale Materials, einer Nutzereinrichtung des DOE Office of Science in Argonne.

Da die Technik mit praktisch jedem kristallinen Feststoff verwendet werden kann, ist dies nur der Anfang dessen, was möglich ist. Es kann auch verwendet werden, um verschiedene Kristallstrukturen zu erzeugen. 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 einzigartige Eigenschaften, die für die Herstellung von Materialien der nächsten Generation unerlässlich sind, die neben Supraleitern auch für Mikroelektronik, Batterien, Magnete und andere Anwendungen verwendet werden können.

Das Basic Energy Sciences-Programm des Office of Science des DOE stellte die Finanzierung dieser Studie bereit.

Zeitschriftenreferenz:

Zhou, X., et al. (2022) Entdeckung von Strukturen und Zusammensetzungen von Chalkogeniden unter Verwendung gemischter Flussmittel. Natur. doi:10.1038/s41586-022-05307-7.

Quelle: https://www.anl.gov/

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