Jak sól umożliwia tworzenie nowych materiałów

Fot. Pixabay, CC0

Już szczypta soli może uprościć tworzenie materiałów dwuwymiarowych. Dzięki naukowcom z Rice University, którzy współpracowali z laboratoriami w Chinach, Japonii, Singapurze i na Tajwanie wiemy już dlaczego.

Laboratoria te wykorzystały sól do stworzenia "biblioteki" materiałów 2D, które połączyły przejściowe metale i chalkogeny. Według naukowców, związki te mogłyby doprowadzić do stworzenia mniejszych i szybszych tranzystorów, fotowoltaiki, czujników i katalizatorów.

Dzięki wysokiej klasy symulacjom Boris Yakobson z Rice, który był ekspertem konsultującym i jego współpracownicy ustalili, że sól obniża temperaturę, w której niektóre pierwiastki oddziałują na siebie w piecu do chemicznego osadzania par (CVD). Ułatwia to tworzenie grubych warstw atomowych podobnych do grafenu, ale z możliwością dostosowania ich składu chemicznego tak, aby otrzymać odpowiednie właściwości elektryczne, optyczne, katalityczne i inne.

Zespół kierowany przez Zheng Liu z Nanyang Technological University w Singapurze użył swojej techniki z CVD do stworzenia 47 związków z metalohalogenków. Większość nowych związków miała dwa składniki, ale niektóre z nich zawierały trzy, cztery, a nawet pięć stopów.
W procesie CVD atomy wzbudzane przez bardzo wysokie temperatury tworzą gaz i ostatecznie osadzają się na podłożu, łącząc się z atomami komplementarnej chemii i tworząc monowarstwowe kryształy.

Badacze już od dawna podejrzewali, że sól może ułatwić proces. "Wykonali imponująco szeroką pracę, aby stworzyć wiele nowych materiałów i dokładnie scharakteryzować każdą z nich" - powiedział Yakobson. "Z naszej teoretycznej perspektywy, nowością w tym badaniu jest to, że teraz lepiej rozumiemy, dlaczego dodanie zwykłej soli obniża temperaturę topnienia tych tlenków metali, a zwłaszcza zmniejsza bariery energetyczne związków pośrednich na drodze do przekształcania ich w chalkogenki."

Czy to w postaci zwykłej soli kuchennej (chlorku sodu), czy też bardziej wymyślnych związków, takich jak jodek potasu, stwierdzono, że sól pozwala na reakcje chemiczne poprzez obniżenie bariery energetycznej, która w przeciwnym razie uniemożliwia interakcje cząsteczek w temperaturach niższych od ultra wysokich.

Co więcej, sól redukuje punkt sublimacji. Jest to punkt, w którym ciało stałe przechodzi w fazę przemiany w gaz, co oznacza, że więcej cząsteczek składnika materiału przeskoczyło do fazy gazowej, a to jest dobre dla ogólnych problemów związanych z transportem i kontaktem oraz ogólnie pomaga w reakcji.

Opisanie tego procesu wymagało intensywnych symulacji i ciężkich obliczeń oddziaływań kwantowych między zaledwie około 100 atomami - wszystko po to, aby pokazać tylko 10 pikosekund reakcji.

(KB)