Nye materialer af perovskit udfordrer traditionelle forestillinger om højtrykskemi

Højtryksmaterialevidenskab har taget fart i løbet af de sidste par årtier, med fremskridt inden for tidligere vanskelige eksperimentelle teknikker og fra teknologier som diamantambolte, som klemmer prøver af materialer mellem to diamanter ved tryk op til millioner af gange større end ved jordens overflade.

Feltet bruger disse ekstreme forhold, der afspejler planeternes dybe indre til at opdage nye materialer, at ændre egenskaberne af kendte materialer på potentielt nyttige og endda eksotiske måder, og for at teste deres koncepter om, hvordan materialer fungerer eller for at simulere, hvordan det er inde i Jorden.

I mellemtiden perovskit er både det mest udbredte mineral i jordens kappe (sammensat af calciumtitanat, CaTiO ₃ ) og navnet på ethvert materiale, der har samme, speciel krystalstruktur som dette mineral. Perovskitstrukturer er af stor interesse for materialeforskere på grund af flere interessante egenskaber, der er vigtige i en række mikroelektronik, telekommunikation og ren-energi applikationer.

Ved hjælp af avancerede højtryksteknikker, Professor Changqing Jin, der leder forskerholdet på Fysisk Institut, det kinesiske videnskabsakademi, også i tillæg til University of Chinese Academy of Sciences (UCAS) har i nogen tid fremstillet mange nye materialer med perovskitstrukturer og ny funktionalitet. For nylig har hans laboratorium syntetiseret en ny type perovskitforbindelse, kaldet "dobbelte perovskitter, " som har to gange "enhedscellen, "eller mindst mulig byggesten af ​​en krystal, af almindelige perovskitter.

Resultaterne blev offentliggjort i det peer-reviewede tidsskrift Angewandte Chemie .

Undersøgelsen beskriver, hvordan forskerne afslørede deres seneste dobbelte perovskit, sammensat af yttrium, kobolt, iridium- og oxygenatomer (Y ₂ CoIrO ₆ ), til varierende niveauer af ekstremt pres, og hvad skete der da de gjorde det.

For de fleste materialer, en stigning i tryk giver mulighed for en stigning i antallet af atomer, der umiddelbart kan samle sig omkring et centralt atom i en krystal (kaldet koordinationsnummeret.

Men den nye dobbelte perovskite, Y ₂ CoIrO ₆ , holdt sig ikke til de traditionelle teorier om, at krystalstrukturens orden har en tendens til at stige med øget tryk.

I stedet, når det syntetiseres ved omgivende tryk, Y ₂ CoIrO ₆ er meget velordnet, men overraskende syntetiseret ved 6 gigapascal (GPa, eller omkring 60, 000 gange standard atmosfærisk tryk), mens enhedscellen blev mindre, nu var der kun delvis bestilling.

Så ved 15 GPa, fandt forskerne forstyrrende. Stigende tryk havde vendt den normale orden-til-lidelse sekvens, som forskerne forventede. Ud over, materialets magnetiske egenskaber ændrede sig

"Mærkeligt nok, 15 GPa er også det tryk, du finder ved grænseområdet mellem den øvre og nedre kappe dybt i Jorden, " sagde Zheng Deng, et andet medlem af holdet. "Det er netop her, mange perovskitmaterialer dannes."

At få yderligere indsigt i denne uventede trykafhængige ordre-forstyrrelse-overgang kan hjælpe forskere til bedre at forstå egenskaberne af mineraler, der udgør kappen og det dybere indre af vores planet

"Dette krænker vores intuition om kemi ved høje tryk, " Deng fortsatte. "Det betyder, at vi bliver nødt til fuldstændigt at genoverveje virkningerne af pres i solid-state videnskaber"

Opdagelsen kunne tillade design og syntese af nyttige nye materialer ved høje tryk med egenskaber, som ellers ville være svære at opnå under normale forhold.