使材料发现中难以想象的成为可能

科学家们想方设法制造用于电池、磁铁和微电子的新材料。

世界上最好的艺术家可以使用少量不同颜色的颜料，创造出一幅看起来与众不同的值得博物馆收藏的画布。他们通过汲取灵感、对过去所做工作的了解以及他们在工作室多年后学到的设计规则来做到这一点。

化学家在发明新化合物时以类似的方式工作。能源部 (DOE) 阿贡国家实验室、西北大学和芝加哥大学的研究人员开发了一种新方法，用于发现和制造含有两种或多种元素的新型晶体材料。

“我们关心的不是让已知材料变得更好，而是发现无人知晓或理论家想象不到的材料。” ——Mercouri Kanatzidis，西北大学化学教授，在阿贡大学联合任职

“我们预计我们的工作将证明对化学、材料和凝聚态社区非常有价值，因为它们可以合成新的和目前不可预测的具有奇异特性的材料，”西北大学化学教授 Mercouri Kanatzidis 说，他在阿贡大学联合任职。

“我们的发明方法源于对非常规超导体的研究，”阿贡大学博士后、该论文的第一作者周秀全说。â�<“这些是具有两种或多种元素的固体，其中至少一种不是金属。而且它们在不同温度下不再阻止电流通过——从比外太空更冷的温度到我办公室的温度。”

在过去的五年中，科学家们发现并制造了许多具有惊人磁学和电学特性的非常规超导体。这种材料具有广泛的应用前景，例如改进发电、能量传输和高速运输。它们还有可能被纳入未来的粒子加速器、磁共振成像系统、量子计算机和节能微电子产品中。

该团队的发明方法始于一种由两部分组成的解决方案。一种是高效溶剂。它溶解并与添加到溶液中的任何固体反应。另一个不是很好的溶剂。但它用于调整反应以在添加不同元素后产生新的固体。这种调整涉及改变两种成分的比例和温度。这里的温度相当高，从华氏 750 度到 1,300 度不等。

Kanatzidis 指出：“我们关心的不是让已知材料变得更好，而是发现无人知晓或理论家想象不到的材料。” â�<“通过这种方法，我们可以避免对已知材料的反应途径，并沿着新途径进入未知和不可预测的领域。”

作为测试案例，研究人员将他们的方法应用于由三到五种元素组成的结晶化合物。正如最近在 《自然》杂志上报道的那样，他们的发现方法产生了 30 种以前未知的化合物。其中十个具有前所未见的结构。

该团队制备了其中一些新化合物的单晶，并在 UChicago 的 ChemMatCARS 光束线 15-ID-D 和 X 射线科学部的高级光子源 17-BM-B(能源部科学办公室用户设施)上表征了它们的结构在阿贡。“借助 APS 的光束线 17-BM-B，我们能够跟踪反应过程中形成的不同化学相的结构演变，”17-BM-B 光束线科学家 Wenqian Xu 说。

“传统上，化学家发明和制造新材料仅依赖于对起始成分和最终产品的了解，”周说。â�<“APS 数据使我们还可以考虑反应过程中形成的中间产物。”

位于阿贡的另一个 DOE 科学办公室用户设施纳米材料中心为该项目贡献了关键的实验数据和理论计算。

这只是可能性的开始，因为该方法几乎可以应用于任何结晶固体。它还可以应用于生产许多不同的晶体结构。这包括多个堆叠层、一个原子厚的单层和未连接的分子链。这种不寻常的结构具有不同的特性，是开发下一代材料的关键，不仅适用于超导体，还适用于微电子、电池、磁铁等。

这项研究得到了能源部科学办公室基础能源科学计划的支持。