Nuevos materiales para baterías, imanes y microelectrónica

Los artistas más talentosos del mundo pueden usar solo unas pocas pinturas diferentes para producir un lienzo único apto para un museo. Lo logran basándose en la inspiración, el conocimiento histórico y los principios de diseño que han absorbido a lo largo de los años de funcionamiento del estudio.

Los químicos usan procesos similares cuando crean nuevos compuestos. Desarrollado por investigadores de la Universidad de Chicago, la Universidad Northwestern y W Laboratorio Nacional de Argonne Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE).

Esperamos que nuestro trabajo sea de gran valor para las comunidades de química, materiales y materia condensada para sintetizar materiales nuevos y actualmente inesperados con propiedades exóticas.

Mercury Kanazidis, Profesor, Departamento de Química, Universidad Northwestern

Xiuquan Zhou, el primer autor del estudio e investigador postdoctoral en Argonne, declaró: «Nuestro método de invención surgió de la investigación sobre superconductores no convencionales. Estos son sólidos que contienen dos o más elementos, al menos uno de los cuales no es un metal. Y dejan de resistir el paso de la electricidad a diferentes temperaturas, desde las más frías del espacio exterior hasta las de mi oficina.«

Durante los últimos 50 años, los investigadores han descubierto y creado una gran cantidad de superconductores inusuales con interesantes propiedades magnéticas y eléctricas. Estos materiales tienen una amplia gama de aplicaciones potenciales, incluida la transmisión de energía mejorada, la generación de energía y el transporte de alta velocidad.

Las futuras computadoras cuánticas, las máquinas de resonancia magnética, los aceleradores de partículas y la microelectrónica energéticamente eficiente podrían aprovecharlo.

El proceso de invención del equipo comienza con una solución de dos partes. Uno actúa como un solvente fuerte. Cualquier sólido agregado a la solución hace que se disuelva y reaccione. El otro no funciona tan eficazmente como el solvente.

Sin embargo, hay que ajustar la reacción para que se produzca un nuevo sólido cuando se añaden nuevos elementos. La alteración de la temperatura y la proporción de los dos ingredientes es parte de este ajuste. Aquí, la temperatura es bastante alta, de 750 a 1300 grados Fahrenheit.

Kanatzidis señaló,No nos interesa mejorar los materiales conocidos sino descubrir materiales que nadie sabía ni imaginaba que existían. Con este método, podemos evitar las vías de reacción de sustancias conocidas y seguir nuevos caminos hacia lo desconocido e inesperado.«

Los investigadores probaron su enfoque en compuestos cristalinos de tres a cinco elementos como caso de prueba. Su proceso de descubrimiento produjo 30 compuestos no descubiertos previamente, como se informó recientemente en naturaleza. Diez de ellos tienen diseños arquitectónicos inauditos.

En la Fuente de fotones avanzada 17-BM-B de la División de ciencia de rayos X, la Instalación de usuario de la Oficina de ciencia del DOE en Argonne y la línea de luz ChemMatCARS de UChicago en 15-ID-D, el equipo preparó monocristales de algunos de estos nuevos compuestos y caracterizó su estructuras

Usando Beamline 17-BM-B de APS, pudimos rastrear la evolución de las estructuras para las diferentes fases químicas formadas durante el proceso de reacción.

Wenqian Xu, científico de línea de luz, Laboratorio Nacional de Argonne

Zhou agregó,Tradicionalmente, los químicos inventaron y sintetizaron nuevas sustancias basándose únicamente en el conocimiento de los ingredientes iniciales y el producto final. Los datos de APS también nos permitieron tener en cuenta los productos intermedios que se forman durante la reacción.«

El proyecto hizo uso de importantes datos experimentales y cálculos teóricos proporcionados por el Centro de Nanomateriales, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía en Argonne.

Dado que la técnica se puede utilizar con casi cualquier sólido cristalino, esto es solo el comienzo de lo que es posible. También se puede utilizar para crear una variedad de estructuras cristalinas. Esto incluye múltiples capas apiladas, una capa de un solo átomo de espesor y cadenas de moléculas no unidas.

Estas estructuras inusuales tienen propiedades únicas necesarias para crear materiales de próxima generación que se pueden usar en microelectrónica, baterías, imanes y otras aplicaciones además de los superconductores.

El Programa de Ciencias Básicas de la Energía de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía proporcionó fondos para este estudio.

Referencia de la revista:

Zhou, X, et al. (2022) Descubrimiento de las estructuras y estructuras de calcogenuros utilizando flujos mixtos. naturaleza. doi: 10.1038/s41586-022-05307-7.

Fuente: https://www.anl.gov/