Изобретение кристаллов

Еще недавно ученым для работы хватало природных кристаллических веществ, многочисленных и разнообразных. Теперь настало время создания кристаллов с заранее заданными свойствами. На это, в частности, исследователей подвигли успехи последних пятидесяти лет в синтезе некоторых сверхпроводников, состоящих из двух и более химических элементов, один из которых неметалл.

Наработанный опыт позволил ученым американских университетов и Аргонской национальной лаборатории Министерства энергетики США предложить новый подход. Группа, руководимая профессором Меркури Кенатзидис (Mercouri Kanatzidis), разработала, по ее словам, «метод синтеза новых материалов с экзотическими свойствами, о которых теоретики не могли даже помыслить». В декабре прошлого года работа была опубликована в журнале Nature.

Идея метода родилась при изучении двухкомпонентных растворов веществ, одно из которых очень сильный растворитель, другое — нет. При высоких температурах (400–700ºC) при добавлении в раствор различных химических элементов для образования твердого осадка (продукта реакции) концентрацию второго компонента подбирают так, чтобы тонко регулировать параметры химической реакции. Эффективность подхода ученые продемонстрировали в высокотемпературных растворах состава AOH/AX (A=Li, Na, K или Rb; X=Cl или I). Так были синтезированы разные соединения халькогенидных систем вида A(Ba)-Cu-Q(O) (Q=S или Se; A=Na, K или Rb).

Метод учитывает промежуточные стадии синтеза, и в этом его преимущество. Он позволяет избежать реакций, которые дают уже известные вещества, и выбирать те, что протекают с неизвестным прежде результатом. На всех этапах синтеза ученые с помощью оптических и рентгеновских приборов контролируют образование химических фаз.

Авторы работы опробировали свой метод при получении кристаллических веществ, содержащих от трех до пяти химических элементов. Химики уже синтезировали 30 ранее неизвестных соединений. Параметры их кристаллов определяли рентгеновскими методами.

Профессор Кенатзидис уверена, что метод годится для получения почти любых кристаллов. К примеру, ими могут быть используемые в микроэлектронике стопки кристаллических пленок, слои атомной толщины и даже цепочки молекул.

Успех работы обещает создание новых сверхпроводников, магнитных веществ и материалов для электрических батарей. (Nature, 2022; 612 (7938): 72)