Sommige materialen kunnen veranderen in meerdere kristalstructuren met zeer verschillende eigenschappen. Bijvoorbeeld, knijpen in een zachte vorm van koolstof produceert diamant, een hardere en briljantere vorm van koolstof. De roman "Cat's Cradle" van Kurt Vonnegut bevatte ijs-negen, een fictieve vorm van water met een veel hoger smeltpunt dan gewoon ijs dat al het water op aarde dreigde onomkeerbaar te bevriezen.

Deze materialen worden polymorfen genoemd, en ze worden gewoonlijk gemaakt door druk uit te oefenen, of knijpen. Wetenschappers die op zoek zijn naar nieuwe materialen zouden ook graag het tegenovergestelde willen doen:"negatieve druk" uitoefenen om de kristalstructuur van een materiaal uit te rekken tot een nieuwe configuratie. Vroeger, deze benadering leek een negatieve druk te vereisen die moeilijk, zo niet onmogelijk te bereiken is in het laboratorium, plus het riskeerde het materiaal uit elkaar te trekken.

Nu hebben onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van het Department of Energy een manier gevonden om het equivalent van negatieve druk te creëren door twee materialen onder precies de juiste omstandigheden te mengen om een ​​legering te maken met een luchtigere en geheel andere kristalstructuur en unieke eigenschappen .

Röntgenmetingen bij DOE's SLAC National Accelerator Laboratory hebben bevestigd dat ze zijn geslaagd. Hun nieuwe legering heeft meer ruimte tussen de atomen dan een van de moedermaterialen, alsof het uitgerekt was. In tegenstelling tot zijn ouders, het nieuwe materiaal is piëzo-elektrisch - in staat om een ​​elektrische lading te genereren als reactie op uitgeoefende mechanische spanning. Dit kan van belang zijn voor gebruik in sensoren en actuatoren.

Gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , de paper die hun bevindingen rapporteert, bevat zowel het theoretische begrip als het experimentele proof-of-concept dat laat zien hoe dergelijke nieuwe materialen met een lage dichtheid kunnen worden gemaakt.

"Het creëren van de negatieve drukomstandigheden in legeringen vereiste contra-intuïtief denken, en misschien is dat de reden waarom hier niet eerder op is gewezen, " zei Andriy Zakutayev, een NREL-wetenschapper en een hoofdauteur van het nieuwe artikel.

"Het is mogelijk om positieve druk op het materiaal uit te oefenen door erop te drukken, maar het is echt moeilijk om het materiaal los te maken, "zei hij. "Denk er zo over na:je kunt een sneeuwbal uit sneeuw pakken, maar je kunt een dichte sneeuwbal niet terug in pluizige sneeuw veranderen."

Baanbrekend werk aan niet-overeenkomende materialen

Het experiment bouwt voort op baanbrekend werk onder leiding van NREL bij het mengen van verbindingen met atomaire structuren die niet overeenkwamen.

Zo zeker als water naar beneden stroomt, een chemische reactie kiest de weg van de minste weerstand, te werk gaan op een manier die het minste energie verbruikt. Het mengen van twee materialen met structuren met een hoge dichtheid kost veel energie; maar als je de reactie zou kunnen sturen in de richting van het creëren van een eindproduct met een lage dichtheid waarvan de atomen verder uit elkaar liggen, het kost veel minder energie, theoretiseerden de onderzoekers. Het zou het equivalent zijn van het maken van een materiaal onder negatieve druk.

Ze testten deze hypothese door vormen van mangaanselenide en mangaantelluride met hoge dichtheid te mengen die verschillende kristalstructuren hebben - een die lijkt op steenzout, de andere het mineraal nikkel. Om de twee te combineren, ze gebruikten een techniek die sputteren wordt genoemd, waarbij fijne verstuivingen van atomen werden bevrijd van de oppervlakken van beide uitgangsmaterialen en als een dunne film op een heet oppervlak werden afgezet, waar de nieuwe legering kristalliseerde en groeide, zei SLAC associate stafwetenschapper Laura Schelhas. Ze voerde röntgenmetingen uit van de nieuwe legering in de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) van het laboratorium met stafwetenschapper Kevin Stone. de legering, het bleek, had de kristalstructuur van weer een ander mineraal, wurtziet.

"Je kunt deze legeringsbenadering gebruiken om verschillende, nooit eerder vertoonde materialen met interessante eigenschappen, " zei Schelhas. "Bijvoorbeeld, deze wordt piëzo-elektrisch:wanneer je een spanning over het materiaal aanbrengt, rekt het zich uit en wordt het groter. En het tegenovergestelde gebeurt ook:als je erop drukt, het produceert een elektrische lading. Deze piëzo-elektrische materialen worden op veel plaatsen gebruikt, waaronder sommige airbags, waar de druk van het geraakt worden bij een aanrijding een klein beetje elektrische lading creëert die de airbag doet afgaan - en het hier gecreëerde materiaal was geheel nieuw."

Aäron Houder, een NREL-onderzoeker en assistent-professor aan de Universiteit van Colorado Boulder, zei, "De eigenschappen van deze nieuwe legering zouden kunnen leiden tot het gebruik ervan als contactlaag voor zonnecellen, of voor toekomstig magnetisch geheugen, dunne filmtransistors, of thermo-elektrische apparaten. Maar hoe we het hebben gemaakt, is nog veelbelovender:het vinden van nieuwe routes om materialen te synthetiseren die de natuur niet kan maken, zou de vooruitgang in de richting van technologieën van de volgende generatie katalyseren."