Nucleaire technieken hebben een belangrijke rol gespeeld bij het bepalen van de kristalstructuur van een zeldzaam type intermetallische legering die supergeleiding vertoont.

Het onderzoek, die onlangs werd gepubliceerd in de Rekeningen van chemisch onderzoek , was een onderneming onder leiding van onderzoekers van het Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, met de medewerking van de Ivan-Franko Nationale Universiteit van Lviv, de Technische Universiteit Freiberg, het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, en ANSTO.

Complexe metaallegeringen (CMA's) hebben het potentieel om als katalysator te werken en als materialen te dienen voor apparaten die warmte omzetten in energie (thermo-elektrische generatoren) of magnetische koeling gebruiken om de energie-efficiëntie van koel- en temperatuurregelsystemen te verbeteren.

Thermo-elektrische generatoren worden gebruikt voor externe toepassingen met een laag vermogen of waar omvangrijkere maar efficiëntere warmtemotoren niet mogelijk zouden zijn.

De unieke eigenschappen van CMA's komen voort uit hun ingewikkelde bovenbouw, waarbij elke herhalende eenheidscel honderden of duizenden atomen omvat.

De studie richtte zich op een fase van beryllium en platina, Be21Pt5. Het lage röntgenverstrooiingsvermogen van berylliumatomen vormde eerder een barrière voor onderzoekers die probeerden de structuur van berylliumrijke CMA's op te lossen, zoals Be21Pt5, door gebruik te maken van röntgenpoederdiffractietechnieken.

Om de berylliumatomen te lokaliseren, onderzoekers gebruikten de ECHIDNA-neutronenpoederdiffractometer bij het Australian Centre for Neutron Scattering.

Dr. Maxim Avdeev, een instrument wetenschapper, merkte op dat het gebruik van neutronenbundels in combinatie met röntgengegevens de sleutel was tot het oplossen van de structuur.

"Omdat beryllium een ​​licht element is, het zal neutronen verder verstrooien dan röntgenstralen met een factor van ongeveer 20. Het was niet mogelijk om de berylliumatomen in het kristal te lokaliseren met behulp van röntgenstralen, maar met neutronendiffractie vonden we ze gemakkelijk."

"Omdat beryllium een ​​licht element is, het verstrooit röntgenstralen zwak. In vergelijking met platina, het contrast is ongeveer 1 tot 20. Het gebruik van neutronen verandert de verhouding tot ongeveer 16 tot 20, waardoor berylliumatomen gemakkelijk in de kristalstructuur kunnen worden gevonden."

Gegevens van röntgen- en neutronenpoederdiffractie werden aangevuld met kwantummechanische berekeningen om de elektronendichtheidsverdeling te bepalen die de elektronische eigenschappen van het materiaal definieert.

De diffractiegegevens gaven aan dat de kristalstructuur van Be21Pt5 was opgebouwd uit vier soorten geneste veelvlakkige eenheden of clusters. Elke cluster bevatte vier schillen bestaande uit 26 atomen met een unieke verdeling van defecten, plaatsen waar een atoom ontbreekt of onregelmatig in de roosterstructuur is geplaatst.

Neutronendiffractie-experimenten bij ANSTO hielpen bij het bepalen van de kristalstructuur, bepalen de structuur van Be21Pt5, die bestond uit vier unieke clusters (kleurgecodeerd hierboven in afbeelding), elk met 26 atomen.

Het collaboratieve karakter van het onderzoek was ook cruciaal voor het oplossen van de structuur.

"Het fysieke monster werd in Duitsland gesynthetiseerd en voor analyse naar Australië gestuurd. Nadat we de diffractiegegevens naar onze medewerkers hadden gestuurd, ze waren in staat om de structuur bij hun thuisinstellingen op te lossen."

Nadat de kristalstructuur is opgelost, het onderzoeksteam richtte ook hun aandacht op de fysieke eigenschappen van Be21Pt5 en deed een onverwachte ontdekking. Bij temperaturen onder 2 K, Be21Pt5 bleek supergeleiding te vertonen.

"Het is vrij ongebruikelijk dat deze familie van intermetallische verbindingen een supergeleidende fase ondergaat. Verdere studies zijn nodig om te begrijpen wat dit systeem speciaal maakt en experimenten met neutronenverstrooiing zullen een belangrijke rol spelen in het proces."