محققان با پیگیری دقیق آنچه در هنگام تجزیه و تبدیل مولکول‌ها در هنگام گرم شدن اتفاق می‌افتد، مواد ناشناخته‌ای را کشف کرده‌اند. یکی از یافته‌ها، شکل جدیدی از یک ماده انرژی پاک شناخته شده است.
این تحقیق که در Nature Communications منتشر شده است، بر فازهای میانی تمرکز دارد که در حالی که مولکول‌ها به مواد جامد تبدیل می‌شوند، ظاهر می‌شوند. این مراحل موقتی اغلب نادیده گرفته می‌شوند زیرا دانشمندان معمولاً بر روی محصول نهایی تمرکز می‌کنند. با ثبت و مطالعه آنها، محققان مسیری بالقوه برای موادی را یافتند که به دست آوردن آنها از طریق سنتز معمولی دشوار یا غیرممکن است.
مراحل پنهان در تشکیل مواد
دکتر سباستین پایک، از بخش شیمی، دانشگاه وارویک، گفت: «هنگام ساخت مواد با حرارت دادن، دانشمندان معمولاً بر روی محصول نهایی، 'B' که از 'A' حاصل می‌شود، تمرکز می‌کنند. اما این مطالعه نشان می‌دهد که مراحل جالب بسیاری بین 'A' و 'B' وجود دارد و این مراحل پنهان می‌توانند به همان اندازه مهم باشند.
«ما دقیقاً نمی‌دانستیم چه چیزی را پیدا خواهیم کرد، اما مطمئن بودیم که چیزی جالب و ناشناخته در فازهای میانی وجود خواهد داشت. ما هیجان زده شدیم که ببینیم برخی از اینها حتی از اولین آزمایش‌ها می‌توانند کاربردهای عملی داشته باشند.»
محققان با پیش‌سازهای «منبع واحد» که مولکول‌هایی حاوی تمام عناصر مورد نیاز برای ایجاد یک ماده هستند، شروع کردند. سپس آنها نحوه تغییر آن مولکول‌ها را با افزایش دما نظارت کردند.
این رویکرد چندین فاز مواد ناشناخته قبلی را آشکار کرد. یکی از آنها شکل جدید و تثبیت شده از نظر جنبشی وانادات بیسموت (BiVO4) بود که محققان آن را β-BiVO4 نامیدند.
شکل جدیدی از وانادات بیسموت
BiVO4 به دلیل «شکاف باند» مفید خود (انرژی مورد نیاز برای جذب نور خورشید و ایجاد واکنش‌های شیمیایی) در تحقیقات انرژی پاک مورد توجه قرار گرفته است. خواص آن به آن اجازه می‌دهد تا نور خورشید را به طور موثر جذب کند و در عین حال انرژی کافی برای تجزیه آب و تولید سوخت هیدروژن پاک را تامین کند.
β-BiVO4 که به تازگی شناسایی شده است، آرایش اتمی متفاوتی نسبت به اشکال شناخته شده این ماده دارد. همچنین یک شکاف باند بسیار بزرگتر دارد که نحوه تعامل آن با نور را تغییر می‌دهد.
این تفاوت‌ها می‌توانند راه‌های جدیدی را برای تنظیم مواد برای استفاده در تولید سوخت خورشیدی، کاتالیز و الکترونیک در اختیار محققان قرار دهد.
پتانسیل برای باتری‌های نسل بعدی
فازهای میانی که به تازگی کشف شده‌اند ممکن است کاربردهایی فراتر از انرژی خورشیدی نیز داشته باشند. ماده پنهان دیگری که در طول آزمایش‌ها شناسایی شد، قادر به ذخیره مقادیر زیادی لیتیوم بود و این احتمال را ایجاد کرد که می‌تواند به فناوری‌های باتری نسل بعدی کمک کند.
دکتر دومینیک کوبیکی، از دانشکده شیمی، دانشگاه بیرمنگام، گفت: «نکته هیجان انگیز این است که این مواد «بینابینی» فقط سنگ بنا نیستند - آنها می‌توانند خواص مفیدی به خودی خود داشته باشند. با درک و کنترل نحوه تشکیل آنها، می‌توانیم شروع به طراحی مواد بهتر برای باتری‌ها، کاتالیز و انرژی خورشیدی کنیم.»
برای مشاهده این حالت‌های معمولاً پنهان، محققان چندین تکنیک پیشرفته را ترکیب کردند، از جمله طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای حالت جامد، پراش اشعه ایکس و تجزیه و تحلیل تابع توزیع جفتی.
نتایج آنها همچنین نشان داد که پیش‌ساز انتخاب شده در ابتدای فرآیند، همراه با نحوه تجزیه آن پیش‌ساز، می‌تواند به شدت بر موادی که تشکیل می‌شوند تأثیر بگذارد. با کنترل این عوامل، محققان ممکن است بتوانند ساختارهایی را تولید کنند که با استفاده از روش‌های گرمایشی استاندارد به دست آوردن آنها دشوار است.
یک مسیر جدید برای مواد کشف نشده
یافته‌ها نشان می‌دهد که مراحل موقتی در تشکیل مواد می‌توانند یک منبع عمدتاً کاوش نشده از ترکیبات مفید را نشان دهند. به جای اینکه ساختارهای میانی را فقط به عنوان مراحل کوتاهی در راه یک ماده نهایی در نظر بگیریم، دانشمندان ممکن است بتوانند آنها را به طور عمدی ایجاد و تثبیت کنند تا برای کاربردهای عملی.
دکتر پایک نتیجه‌گیری کرد: «ما در اینجا فقط چند پیش‌ساز را مطالعه کردیم، اما این کار به فرصتی گسترده‌تر در علم مواد اشاره دارد. با کنترل دقیق دما، شیمی پیش‌ساز و مسیرهای واکنش، ممکن است مواد «پنهان» بسیار مفید دیگری برای یافتن وجود داشته باشد.»
منبع: دانشگاه وارویک