Химики работают аналогичным образом, когда изобретают новые соединения. Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, Северо-Западного университета и Чикагского университета разработали новый метод обнаружения и изготовления новых кристаллических материалов с двумя или более элементами.

"Мы ожидаем, что наша работа окажется чрезвычайно ценной для сообществ в области химии, материалов и конденсированных сред для синтеза новых и в настоящее время непредсказуемых материалов с экзотическими свойствами", - сказал Меркури Канацидис, профессор химии Северо-Западного университета с совместным назначением в Аргонне.

"Наш метод изобретения вырос из исследований нетрадиционных сверхпроводников", - сказал Сюцюань Чжоу, постдок Аргоннского университета и первый автор статьи. ​"Это твердые тела с двумя или более элементами, по крайней мере, один из которых не является металлом. И они перестают сопротивляться прохождению электричества при разных температурах - где угодно, от холоднее, чем в космосе, до температуры в моем офисе".

За последние пять десятилетий ученые открыли и изготовили множество нетрадиционных сверхпроводников с удивительными магнитными и электрическими свойствами. Такие материалы имеют широкий спектр возможных применений, таких как улучшенное производство электроэнергии, передача энергии и высокоскоростной транспорт. Они также обладают потенциалом для внедрения в будущие ускорители частиц, системы магнитно-резонансной томографии, квантовые компьютеры и энергоэффективную микроэлектронику.

Метод изобретения команды начинается с решения, состоящего из двух компонентов. Один из них - высокоэффективный растворитель. Он растворяется и вступает в реакцию с любыми твердыми веществами, добавленными в раствор. Другой не такой хороший растворитель. Но он существует для настройки реакции с получением нового твердого вещества при добавлении различных элементов. Эта настройка включает в себя изменение соотношения двух компонентов и температуры. Здесь температура довольно высокая, от 750 до 1300 градусов по Фаренгейту.

"Мы заботимся не о том, чтобы улучшить известные материалы, а об открытии материалов, о существовании которых никто не знал или теоретики даже не предполагали", - отметил Канацидис. ​"С помощью этого метода мы можем избежать реакций на известные материалы и следовать новыми путями в неизвестное и непредсказуемое".

В качестве тестового примера исследователи применили свой метод к кристаллическим соединениям, состоящим из трех-пяти элементов. Как недавно сообщалось в Nature, их метод обнаружения позволил получить 30 ранее неизвестных соединений. Десять из них имеют сооружения, которых никогда раньше не видели.

Команда подготовила монокристаллы некоторых из этих новых соединений и охарактеризовала их структуры на линии луча ChemMatCARS в UChicago по адресу 15-ID-D и 17-BM-B в отделе рентгеновской науки Advanced Photon Source, пользовательском центре Министерства науки США в Аргонне. ​"С помощью beamline 17-BM-B APS мы смогли отследить эволюцию структур для различных химических фаз, которые образовались в процессе реакции", - сказал ученый из beamline 17-BM-B Вэньцянь Сюй.

"Традиционно химики изобретали и производили новые материалы, полагаясь только на знание исходных ингредиентов и конечного продукта", - сказал Чжоу. ​"Данные APS позволили нам также принять во внимание промежуточные продукты, которые образуются в ходе реакции".

Центр наноразмерных материалов, еще одно пользовательское учреждение Министерства образования и науки США в Аргонне, предоставил ключевые экспериментальные данные и теоретические расчеты для проекта.

И это только начало того, что возможно, поскольку метод может быть применен практически к любому кристаллическому твердому телу. Он также может быть применен для получения множества различных кристаллических структур. Это включает в себя несколько сложенных слоев, один слой толщиной в атом и цепочки молекул, которые не связаны между собой. Такие необычные структуры обладают различными свойствами и являются ключом к разработке материалов следующего поколения, применимых не только к сверхпроводникам, но и к микроэлектронике, батареям, магнитам и многому другому.

Это исследование было поддержано Управлением науки Министерства энергетики США, программой фундаментальных энергетических наук.