В ходе исследования была обнаружена совершенно новая версия известного материала, используемого в производстве экологически чистой энергии, — ванадата висмута.
Оказывается, секрет создания материалов нового поколения может заключаться в скрытых этапах самого процесса приготовления.
В результате сотрудничества между Уорикским университетом и Бирмингемским университетом был разработан метод обнаружения скрытых фаз материалов путем отслеживания трансформации молекулярных предшественников в процессе нагревания.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, акцент смещается с конечных продуктов на промежуточные стадии синтеза.
Это исследование открыло секретный путь в материаловедение, изучив скрытые промежуточные стадии, происходящие во время химического нагрева. Эти мимолетные фазы, которые обычно исчезают до образования конечного продукта, обладают уникальными свойствами и структурами, которые невозможно создать стандартными методами.
«Когда материалы получают путем нагревания, ученые обычно сосредотачиваются на конечном продукте, на «Б», который получается из «А». Но это исследование показывает, что между «А» и «Б» существует множество интересных этапов, и эти скрытые шаги могут быть не менее важными», — сказал доктор Себастьян Пайк, кафедра химии Уорикского университета.
Идентификация промежуточных продуктов
Как правило, материаловедение следует предсказуемому пути от точки А до точки Б. Однако в рамках этого совместного проекта было решено перестать игнорировать этот путь.
Обычно эти промежуточные материалы исчезают до того, как мы успеваем их использовать.
Для обнаружения этих скрытых материалов команде пришлось задействовать целый ряд передовых технологий, включая твердотельную ЯМР-спектроскопию, рентгеновскую дифракцию и анализ функции парного распределения, чтобы составить карту атомного хаоса.
Это была высокоскоростная игра в стоп-кадры, разыгрываемая на молекулярном уровне.
В частности, для пошагового наблюдения за трансформацией материала использовались исходные вещества из одного источника — по сути, цельные молекулы-стартеры. Они обнаружили не просто переход, а настоящий кладезь информации.
«Мы точно не знали, что обнаружим», — сказал Пайк. «Но мы были уверены, что на промежуточных этапах найдется что-то интересное. Мы были в восторге, обнаружив, что некоторые из этих веществ могут найти практическое применение уже на самых первых этапах экспериментов», — добавил Пайк.
Главным экспонатом выставки является недавно обнаруженная разновидность ванадата висмута (BiVO₄) — уникальная версия ценного материала для экологически чистой энергетики.
В то время как стандартная форма уже известна своей оптимальной способностью превращать солнечный свет в водородное топливо, этот новый вариант предлагает новую атомную структуру, которая может еще больше оптимизировать способы получения солнечной энергии.
Проще говоря? Оно взаимодействует со светом таким образом, которого никто раньше не видел.
Потенциал батареи
Уникальная атомная структура недавно открытого β-BiVO₄ приводит к увеличению ширины запрещенной зоны, что изменяет поглощение света и реакцию материала на него. Этот структурный сдвиг предоставляет новый инструмент для повышения эффективности технологий, начиная от производства солнечного топлива и химического катализа и заканчивая высокопроизводительной электроникой.
Последствия этого открытия выходят далеко за рамки солнечной энергетики. В ходе своих экспериментов команда обнаружила еще один «скрытый» материал с удивительной способностью поглощать литий. Этот промежуточный материал может содержать секрет создания батарей, которые заряжаются быстрее и служат дольше, чем любые другие, представленные на рынке.
«Самое интересное то, что эти промежуточные материалы — не просто ступеньки на пути к цели, они могут обладать полезными свойствами сами по себе», — сказал доктор Доминик Кубицки, факультет химии Бирмингемского университета.
Данное исследование открывает новые горизонты в материаловении, предполагая, что, изменяя траекторию движения химического вещества при нагревании, мы можем обнаружить целую сокровищницу полезных, ранее неизвестных веществ.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications 30 апреля.
Sourse: interestingengineering.com
