Les matériaux à l'état solide sont importants pour le développement de nouvelles technologies, des applications des énergies renouvelables à l'électronique. La fabrication de ces matériaux avancés nécessite souvent la synthèse de flux métalliques, un processus complexe qui repose fortement sur des essais et erreurs coûteux.

Dans le but de rendre le processus plus efficace, une équipe de chercheurs de l'Iowa State University utilise la diffusion de neutrons à la Spallation Neutron Source (SNS), situé au Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie (DOE). Ils savent déjà que les fondants métalliques comme l'étain et le plomb peuvent être utilisés comme solvants pour favoriser la réaction des éléments pour former des produits cristallins purs. Maintenant, ils veulent mieux comprendre comment ces flux métalliques interagissent avec d'autres éléments lorsqu'ils fondent en un seul composé fondu. S'ils peuvent identifier une corrélation entre ces interactions et les produits cristallins qui apparaissent après le refroidissement de la masse fondue, connaître la corrélation pourrait conduire à des processus améliorés pour la fabrication de nouvelles classes de matériaux avancés.

"À l'heure actuelle, la synthèse de flux métalliques est un processus expérimental qui utilise beaucoup de conjectures. Nous aimerions utiliser les données que nous recueillons à Oak Ridge pour rationaliser le processus, " a déclaré Bryan Owens-Baird, un étudiant chercheur diplômé à l'Iowa State University et au laboratoire Ames du DOE.

Owens-Baird dit que la synthèse de flux métalliques est particulièrement utile pour synthétiser des substances que les chercheurs et les fabricants ne peuvent pas produire à partir d'une réaction directe d'éléments. Au lieu, les scientifiques doivent dissoudre les réactifs dans des flux de métaux en fusion comme l'étain et le plomb. Ces flux agissent alors comme des solvants, réduire le composé liquide en de nouveaux produits qui cristallisent hors de la fonte en refroidissant.

"Par exemple, si vous chauffez et refroidissez une solution de fondant d'étain avec du nickel élémentaire et du phosphore, ce que vous avez à la fin est toujours de l'étain élémentaire, mais vous avez formé un matériau de phosphure de nickel. Le flux agit comme une sorte de médiateur pour aider à cristalliser ce produit souhaité hors de la masse fondue, " a déclaré Owens Baird.

Mais prédire exactement quels produits sortiront du bain de refroidissement est délicat. Owens-Baird explique que les chercheurs ne comprennent pas entièrement comment les flux métalliques interagissent avec d'autres éléments pendant qu'ils se transforment ensemble dans la masse fondue. Cela rend difficile l'utilisation efficace de la synthèse de flux métalliques et oblige les chercheurs à s'appuyer fortement sur leur intuition chimique.

« L'état fondu est comme une boîte noire. Nous ne savons tout simplement pas nécessairement quelles sont les interactions qui se produisent dans la masse fondue et si ces interactions sont corrélées aux produits qui sont cristallisés lors du refroidissement, " a déclaré Owens Baird.

Pour casser cette boîte noire, Owens-Baird et son équipe utilisent l'instrument de diffractomètre des matériaux commandés à l'échelle nanométrique, ou NOMADE, au SNS pour observer de visu comment les flux métalliques et d'autres éléments interagissent les uns avec les autres à l'état fondu. La capacité de chauffer les échantillons à plus de 2000°F avant de les sonder avec des neutrons permet à l'équipe de suivre les distances entre les atomes dans les composés fondus lorsqu'ils interagissent dans la masse fondue, et lorsqu'ils cristallisent lorsque les composés se refroidissent à nouveau à l'état solide.

Owens-Baird a découvert l'instrument NOMAD pour la première fois en 2017 alors qu'il fréquentait l'École nationale sur la diffusion des neutrons et des rayons X, accueilli chaque année par l'ORNL et le Laboratoire National d'Argonne. Il a déclaré que l'école l'avait aidé à développer l'expertise nécessaire à son expérience en lui fournissant une connaissance des capacités de la ligne de lumière et une expérience pratique.

Parce que les neutrons sont sensibles aux éléments légers, ils permettent à Owens-Baird et à son équipe de localiser avec précision des éléments spécifiques dans leurs composés, comme le phosphore et le silicium.

"Les flux que nous examinons sont l'étain et le plomb, qui sont à la fois relativement lourds et dominent le signal dans les expériences basées sur les rayons X. Les neutrons sont géniaux parce que nous pouvons toujours voir clairement ce que font ces éléments plus légers, et l'intensité de diffusion n'est pas basée sur le numéro atomique, " a déclaré Owens Baird.

Owens-Baird espère que son équipe sera en mesure d'utiliser les résultats de leur expérience pour établir une corrélation solide entre les interactions métal-flux avec d'autres éléments dans la masse fondue et les produits cristallins qui apparaissent lorsque ces composés métalliques passent de la fusion à l'état solide. Etat. Une telle corrélation pourrait éventuellement permettre à d'autres chercheurs et fabricants de mieux utiliser la synthèse de flux métalliques pour générer rapidement et efficacement de nouveaux matériaux à l'état solide avancés.

« Si cela fonctionne, et nous pouvons localiser cette corrélation, nous allons jeter les bases d'un avenir vraiment brillant dans la chimie du solide, " a déclaré Owens Baird.