Forskere finder en ny måde at lave nye materialer på ved at un-klemme

Nogle materialer kan forvandle sig til flere krystalstrukturer med meget forskellige egenskaber. For eksempel, klemme en blød form for kulstof producerer diamant, en hårdere og mere genial form for kulstof. Kurt Vonnegut-romanen "Cat's Cradle" indeholdt is-ni, en fiktiv form for vand med et meget højere smeltepunkt end almindelig is, der truede med irreversibelt at fryse alt vandet på jorden.

Disse materialer kaldes polymorfer, og de er normalt fremstillet ved at lægge pres, eller klemme. Forskere, der leder efter nye materialer, vil også gerne gøre det modsatte - anvende "negativt tryk" for at strække et materiales krystalstruktur til en ny konfiguration. I fortiden, denne tilgang syntes at kræve negativt pres, der er vanskeligt, hvis ikke umuligt at opnå i laboratoriet, plus det risikerede at trække materialet fra hinanden.

Nu har forskere ved Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory (NREL) fundet en måde at skabe ækvivalent til undertryk ved at blande to materialer sammen under de helt rigtige forhold for at lave en legering med en luftigere og helt anden krystalstruktur og unikke egenskaber .

Røntgenmålinger på DOE's SLAC National Accelerator Laboratory bekræftede, at det er lykkedes. Deres nye legering har mere plads mellem sine atomer end et af dets overordnede materialer, som om det var blevet strakt ud. I modsætning til dets forældre, det nye materiale er piezoelektrisk - i stand til at generere en elektrisk ladning som reaktion på påført mekanisk belastning. Dette kan være vigtigt for brug i sensorer og aktuatorer.

Udgivet i Videnskab fremskridt , papiret, der rapporterer deres fund, indeholder både den teoretiske forståelse og det eksperimentelle bevis på konceptet, der viser, hvordan sådanne nye materialer med lav densitet kan laves.

"Oprettelse af negative trykforhold i legeringer krævede kontraintuitiv tænkning, og måske derfor er det ikke blevet påpeget før, "sagde Andriy Zakutayev, en NREL -videnskabsmand og en hovedforfatter af det nye papir.

"Det er muligt at lægge positivt tryk på materialet ved at klemme det, men det er virkelig svært at fjerne materialet, "sagde han." Tænk over det på denne måde:Du kan pakke en snebold ud af sneen, men du kan ikke vende en tæt snebold tilbage til fluffy sne. "

Banebrydende arbejde med uoverensstemmende materialer

Eksperimentet bygger på banebrydende arbejde ledet af NREL om blanding af forbindelser med atomstrukturer, der ikke matchede.

Så sikkert som vandet strømmer ned ad bakke, en kemisk reaktion vil tage vejen med mindst modstand, foregår på en måde, der forbruger mindst energi. At blande to materialer med strukturer med høj densitet kræver meget energi; men hvis du kunne rykke reaktionen i retning af at skabe et slutprodukt med lav densitet, hvis atomer var længere fra hinanden, det ville kræve meget mindre energi, forskerne teoretiseret. Det ville svare til at lave et materiale under undertryk.

De testede denne hypotese ved at blande former med høj densitet af manganselenid og mangantellurid, der har forskellige krystalstrukturer-en der ligner stensalt, den anden mineralsk nickelin. For at kombinere de to, de brugte en teknik kaldet sputtering, hvor fine sprøjter med atomer blev frigjort fra overfladerne på begge udgangsmaterialer og aflejret som en tynd film på en varm overflade, hvor den nye legering krystalliserede og voksede, sagde SLAC -associeret personaleforsker Laura Schelhas. Hun foretog røntgenmålinger af den nye legering på laboratoriets Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) med personaleforsker Kevin Stone. Legeringen, det viste sig, havde krystalstrukturen af ​​endnu et mineral, wurtzite.

"Du kan bruge denne legeringsmetode til at gøre anderledes, aldrig før sete materialer med interessante egenskaber, "Sagde Schelhas." For eksempel, denne bliver piezoelektrisk:Når du påfører en spænding over materialet, strækker den sig faktisk og bliver større. Og det modsatte sker også:Hvis du skubber på det, det producerer en elektrisk ladning. Disse piezoelektriske materialer bruges mange steder - herunder nogle airbags, hvor trykket ved at blive ramt ved en kollision skaber en lille smule elektrisk ladning, der sætter airbaggen fra - og det materiale, der blev skabt her, var helt nyt. "

Aaron Holder, en NREL -forsker og adjunkt ved University of Colorado Boulder, sagde, "Egenskaberne ved denne nye legering kan føre til dens anvendelse som kontaktlag for solceller, eller til fremtidig magnetisk hukommelse, tyndfilmstransistorer, eller termoelektriske enheder. Men hvordan vi klarede det, er endnu mere lovende:At finde nye ruter til syntetisering af materialer, som naturen ikke kan lave, ville katalysere fremskridt i retning af næste generations teknologier. "