Terwijl ze materiaalmonsters maken om hun eigen onderzoeksdoelen na te streven, wetenschappers van het Ames Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie ontdekten dat een ongewenst bijproduct van hun experimenten een extreem hoogwaardige en moeilijk te verkrijgen stof was waarnaar wetenschappers op zoek waren die gelaagde materialen onderzochten.

Met een projectnaam als "Complexe staten, Emergent Phenomena &Supergeleiding in intermetallische en metaalachtige verbindingen" voel je meteen dat het team van wetenschappers achter die titel misschien een talent heeft voor het rare, ongebruikelijk, en nooit eerder gezien. De Ames Lab-groep onderzoekt metallische en semi-metallische verbindingen die magnetische, supergeleidend, of andere eigenschappen die zijn ontworpen om de fundamentele mysteries te onderzoeken van hoe gecorreleerde of opkomende staten zich kunnen vormen en, ook, kan nuttig zijn in toekomstige technische toepassingen, zoals energieopwekking, transmissie en opslag, evenals quantum computing. Maar voordat ze het vreemde kunnen onderzoeken, ongebruikelijk, en nooit eerder gezien, ze moeten het maken - dus het team heeft ook tientallen jaren expertise in het maken van die materialen.

Een focus van het onderzoek van de groep is MgB ₂ , een moeilijk te produceren supergeleidend materiaal. Zo moeilijk, in feite, dat het gereedschap dat gebruikt is om het te maken "The Beast" wordt genoemd. Op de loer in de kelder van Ames Laboratory's Spedding Hall, het Beest is een kieskeurige, krachtig, en een gigantische hogedrukoven die kleine hoeveelheden moeilijk te combineren ingrediënten superverwarmt en superplet tot nieuwe verbindingen.

Mingyu Xu, een afgestudeerde student, heeft MgB . bestudeerd ₂ , en is geïnteresseerd in het kweken van puur en gedopeerd, enkele kristalmonsters van het materiaal om de supergeleidende eigenschappen ervan beter te begrijpen. Hij en Raquel Ribeiro, een universitair hoofddocent bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan de Iowa State University, samenwerken om speciaal ontworpen keramische kubussen (eigenlijk vulkanische as) te laden met de kleine smeltkroezen (bekers) die worden verwarmd tot temperaturen tot 2000 ° C, en onderworpen aan druk 30, 000 keer hoger dan de normale atmosferische druk.

"We moeten heel precies zijn, heel bijzonder over hoe we de monsters voorbereiden en laden, "zei Ribeiro. "Als we een fout maken, als een stuk niet goed is uitgelijnd, het breekt, " ze zei, uitleggen van het meedogenloze proces van het maken van het materiaal. Zo veeleisend is het Beest, Xu en Ribeiro houden hun fouten bij, als een manier om te documenteren hoe ze hun voorbereidingsmethoden en slagingspercentage kunnen verbeteren.

Als ze slagen, Xu's focus ligt op de MgB ₂ , letterlijk. Zijn microscoopbeelden zijn scherp gefocust op de glinstering van bleke goudkleurige kristallen die bevestigen dat het Beest een succesvolle, monster van hoge kwaliteit. Maar de beelden leggen ook iets anders vast:de gewilde MgB ₂ is omgeven door een nest van doorschijnende, schilferig materiaal dat een bijproduct is van het proces, genaamd hexagonaal boornitride, of hBN.

"Voor jaren, we hebben geprobeerd deze irritante tweede fase te minimaliseren, " zei Paul Canfield, Ames Lab-fysicus, Distinguished Professor en Robert Allen Wright Professor of Physics and Astronomy aan de Iowa State University, en hoofdonderzoeker van het project. "Onze zoektocht was naar MgB ₂ . We wilden die andere dingen niet, en probeerden ons proces te optimaliseren om de hoeveelheid ervan te verminderen."

In zijn samenwerkingen met natuurkundigen van andere instellingen, echter, hij leerde dat zijn "irriterende tweede fase" eigenlijk een zeer gewild en moeilijk te verkrijgen isolatiemateriaal was voor wetenschappers die onderzoek deden naar grafeen, het 2D gelaagde halfmetaal dat voor het eerst werd ontdekt in 2010, en wordt bestudeerd vanwege zijn fascinerende en ongebruikelijke elektronentransporteigenschappen.

"Stel je voor dat je de sandwich ontdekt, en het is gemakkelijk om de ham te krijgen, maar brood is moeilijk te krijgen. Wit brood is op zichzelf al saai, maar als je het hebt, kun je je boterham maken, " zei Canfield, "hBN is het brood om dat broodje te maken." Lagen isolerend hBN scheiden grafeen en andere nieuwe elektronische en magnetische materialen om nieuwe heterostructuren te maken; nieuwe natuurkunde sandwiches met eigenschappen die uiteindelijk transistors kunnen vervangen.

Plotseling, De groep van Canfield vond zichzelf hBN-bakkers voor de 2D-broodjesbereiding van andere wetenschappers - een wetenschappelijke drukte, als je wil. Xu en Ribeiro hebben hun systematiek voor het bedienen van het Beest aangepast om zowel de productie van MgB . te optimaliseren ₂ , en het gewenste bijproduct. Door het zo te doen, Ames is uitgegroeid tot een van de weinige bronnen wereldwijd van hBN, een sleutelrol spelen in meerdere spraakmakende publicaties. Ames Laboratory heeft hBN geleverd aan MIT, Rutgers, Princeton, Cornell, Stanford, Lawrence Livermore, en andere instellingen. Het resulterende onderzoek is te zien in Natuurcommunicatie , Natuur , en Wetenschap .

"Het is echt verheugend dat we een Department of Energy National Laboratory hebben, niet alleen zijn eigen onderzoeksdoelen nastreven, maar speelt ook een essentiële rol bij het mogelijk maken van belangrijke natuurkundige ontdekkingen in andere laboratoria en andere instellingen, ' zei Canfield.