Forskere øger varmen på smeltede metaller for at skabe fremtidige teknologier

Solid-state materialer er vigtige for udvikling af nye teknologier, fra applikationer til vedvarende energi til elektronik. Fremstilling af disse avancerede materialer kræver ofte metal-flux syntese, en kompleks proces, der i høj grad er afhængig af dyre forsøg og fejl.

Formålet er at gøre processen mere effektiv, et team af forskere fra Iowa State University bruger neutronspredning ved Spallation Neutron Source (SNS), placeret på Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL). De ved allerede, at metalflukser som tin og bly kan anvendes som opløsningsmidler til at fremme reaktionen af ​​grundstoffer til dannelse af rene krystallinske produkter. Nu, de vil bedre forstå, hvordan disse metalstrømme interagerer med andre elementer, når de smelter til en enkelt smeltet forbindelse. Hvis de kan identificere en sammenhæng mellem disse interaktioner og de krystallinske produkter, der optræder efter afsmeltningen afkøles, kendskab til sammenhængen kan føre til forbedrede processer til fremstilling af nye klasser af avancerede materialer.

"Lige nu, metal-flux syntese er en eksperimentel proces, der bruger mange gætterier. Vi vil gerne bruge de data, vi indsamler fra Oak Ridge til at strømline processen, "sagde Bryan Owens-Baird, en kandidatstuderende forsker ved Iowa State University og DOE's Ames Laboratory.

Owens-Baird siger, at metal-flux-syntese er særlig nyttig til syntetisering af stoffer, forskere og producenter ikke kan producere fra en direkte reaktion af grundstoffer. I stedet, forskere skal opløse reaktanter i smeltede metalstrømme som tin og bly. Disse strømninger fungerer derefter som opløsningsmidler, reducere den flydende forbindelse til nye produkter, der krystalliserer ud af smelten, når den afkøles.

"For eksempel, hvis du opvarmer og køler en opløsning af tinflux med elementært nikkel og fosfor, hvad du har til sidst er stadig elementær tin, men du dannede et nikkelphosphidmateriale. Fluksen fungerer som en slags mediator for at hjælpe med at krystallisere dette ønskede produkt ud af smelten, "sagde Owens-Baird.

Men at forudsige præcis, hvilke produkter der kommer fra kølesmelten, er vanskelig. Owens-Baird forklarer, at forskere ikke helt forstår, hvordan metalstrømmene interagerer med andre elementer, mens de morfer sammen i smelten. Det gør det svært at bruge metal-flux syntese effektivt og kræver, at forskere i høj grad er afhængige af deres kemiske intuition.

"Den smeltede tilstand er som en sort boks. Vi ved bare ikke nødvendigvis om de interaktioner, der sker i smelten, og om disse interaktioner er korreleret med de produkter, der krystalliseres ud ved afkøling, "sagde Owens-Baird.

For at knække den sorte boks, Owens-Baird og hans team bruger det nanoskalaordnede materialer diffraktometer instrument, eller NOMAD, på SNS for på egen hånd at observere, hvordan metalstrømme og andre elementer interagerer med hinanden i smeltet tilstand. Evnen til at opvarme prøver til over 2000 ° F, før de undersøger dem med neutroner, gør det muligt for teamet at spore afstanden mellem atomer inden for de smeltede forbindelser, når de interagerer i smelten, og som de krystalliserer, når forbindelserne igen afkøles til en fast tilstand.

Owens-Baird blev først introduceret til NOMAD-instrumentet i 2017, mens han gik på National School on Neutron and X-ray Scattering, arrangeres hvert år af ORNL og Argonne National Laboratory. Han sagde, at skolen hjalp ham med at udvikle den ekspertise, der var nødvendig for hans eksperiment, ved at give ham viden om strålelinjens muligheder og med praktisk erfaring.

Fordi neutroner er følsomme over for lette elementer, de sætter Owens-Baird og hans team i stand til præcist at lokalisere bestemte elementer i deres forbindelser, såsom fosfor og silicium.

"Fluxerne vi ser på er tin og bly, som både er relativt tunge og dominerer signalet i røntgenbaserede eksperimenter. Neutroner er gode, fordi vi stadig tydeligt kan se, hvad de lettere elementer laver, og spredningsintensiteten er ikke baseret på atomnummeret, "sagde Owens-Baird.

Owens-Baird håber, at hans team vil være i stand til at bruge resultaterne af deres eksperiment til at etablere en fast sammenhæng mellem metal-flux-interaktioner med andre elementer i smelten og de krystallinske produkter, der vises, når disse metalliske forbindelser overgår fra smeltning tilbage til et fast stof stat. En sådan sammenhæng kan i sidste ende give andre forskere og producenter mulighed for bedre at anvende metal-flux-syntese til hurtigt og effektivt at generere nye avancerede solid-state materialer.

"Hvis dette virker, og vi kan finde denne sammenhæng, vi vil lægge grunden til en virkelig lys fremtid i solid-state kemi, "sagde Owens-Baird.