Los materiales de estado sólido son importantes para el desarrollo de nuevas tecnologías, desde aplicaciones de energía renovable hasta electrónica. La fabricación de estos materiales avanzados a menudo requiere síntesis de fundente de metal, un proceso complejo que se basa en gran medida en costosas pruebas y errores.

Con el objetivo de hacer el proceso más eficiente, un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Iowa está utilizando la dispersión de neutrones en la fuente de neutrones de espalación (SNS), ubicado en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE). Ya saben que los fundentes de metales como el estaño y el plomo pueden emplearse como disolventes para promover la reacción de los elementos para formar productos cristalinos puros. Ahora, quieren comprender mejor cómo interactúan esos flujos metálicos con otros elementos cuando se funden en un solo compuesto fundido. Si pueden identificar una correlación entre esas interacciones y los productos cristalinos que aparecen después de que se enfría la masa fundida, conocer la correlación podría conducir a procesos mejorados para la fabricación de nuevas clases de materiales avanzados.

"Ahora, La síntesis de metal-flux es un proceso experimental que utiliza muchas conjeturas. Nos gustaría utilizar los datos que recopilamos de Oak Ridge para agilizar el proceso, "dijo Bryan Owens-Baird, estudiante de posgrado investigador de la Universidad Estatal de Iowa y del Laboratorio Ames del DOE.

Owens-Baird dice que la síntesis de flujo de metales es particularmente útil para sintetizar sustancias que los investigadores y los fabricantes no pueden producir a partir de una reacción directa de elementos. En lugar de, los científicos deben disolver los reactivos en fundentes de metales fundidos como el estaño y el plomo. A continuación, esos flujos actúan como disolventes, reduciendo el compuesto líquido en nuevos productos que cristalizan fuera de la masa fundida a medida que se enfría.

"Por ejemplo, si calienta y enfría una solución de fundente de estaño con níquel elemental y fósforo, lo que tienes al final sigue siendo estaño elemental, pero formó un material de fosfuro de níquel. El fundente actúa como una especie de mediador para ayudar a cristalizar este producto deseado fuera de la masa fundida, "dijo Owens-Baird.

Pero predecir exactamente qué productos emergerán del derretimiento de enfriamiento es complicado. Owens-Baird explica que los investigadores no comprenden del todo cómo los flujos de metal interactúan con otros elementos mientras se transforman juntos en la fusión. Eso dificulta el uso eficiente de la síntesis de flujo de metales y requiere que los investigadores confíen en gran medida en su intuición química.

"El estado fundido es como una caja negra. Simplemente no sabemos necesariamente acerca de las interacciones que ocurren dentro de la masa fundida y si estas interacciones están correlacionadas con los productos que se cristalizan al enfriarse, "dijo Owens-Baird.

Para romper esa caja negra Owens-Baird y su equipo están utilizando el instrumento Difractómetro de materiales ordenados a nanoescala, o NOMAD, en SNS para observar de primera mano cómo los flujos de metal y otros elementos interactúan entre sí en un estado fundido. La capacidad de calentar muestras a más de 2000 ° F antes de sondearlas con neutrones permite al equipo rastrear las distancias entre los átomos dentro de los compuestos fundidos a medida que interactúan en la masa fundida. y cuando cristalizan cuando los compuestos se enfrían nuevamente a un estado sólido.

Owens-Baird conoció por primera vez el instrumento NOMAD en 2017 mientras asistía a la Escuela Nacional de Dispersión de Neutrones y Rayos X, organizado cada año por ORNL y el Laboratorio Nacional Argonne. Dijo que la escuela lo ayudó a desarrollar la experiencia necesaria para su experimento brindándole conocimiento de las capacidades de la línea de luz y experiencia práctica.

Debido a que los neutrones son sensibles a los elementos ligeros, permiten a Owens-Baird y su equipo localizar con precisión elementos específicos en sus compuestos, como fósforo y silicio.

"Los flujos que estamos viendo son estaño y plomo, que son relativamente pesados ​​y dominan la señal en experimentos basados ​​en rayos X. Los neutrones son geniales porque todavía podemos ver claramente qué están haciendo esos elementos más ligeros, y la intensidad de la dispersión no se basa en el número atómico, "dijo Owens-Baird.

Owens-Baird espera que su equipo pueda utilizar los resultados de su experimento para establecer una correlación firme entre las interacciones metal-fundente con otros elementos en la masa fundida y los productos cristalinos que aparecen a medida que estos compuestos metálicos pasan de fundirse a ser sólidos. estado. Tal correlación puede eventualmente permitir que otros investigadores y fabricantes empleen mejor la síntesis de flujo de metal para generar nuevos materiales avanzados de estado sólido de manera rápida y eficiente.

"Si esto funciona, y podemos localizar esta correlación, sentaremos las bases para un futuro realmente brillante en la química del estado sólido, "dijo Owens-Baird.