Os materiais de estado sólido são importantes para o desenvolvimento de novas tecnologias, de aplicações de energia renovável à eletrônica. A fabricação desses materiais avançados muitas vezes requer a síntese de fluxo de metal, um processo complexo que depende muito de tentativas e erros caras.

Com o objetivo de tornar o processo mais eficiente, uma equipe de pesquisadores da Iowa State University está usando o espalhamento de nêutrons na Spallation Neutron Source (SNS), localizado no Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE). Eles já sabem que fluxos de metal como estanho e chumbo podem ser empregados como solventes para promover a reação de elementos para formar produtos cristalinos puros. Agora, eles querem entender melhor como esses fluxos de metal interagem com outros elementos quando se fundem em um único composto fundido. Se eles puderem identificar uma correlação entre essas interações e os produtos cristalinos que aparecem após o resfriamento da fusão, conhecer a correlação pode levar a processos aprimorados para a fabricação de novas classes de materiais avançados.

"Agora mesmo, a síntese de fluxo de metal é um processo experimental que usa muitas suposições. Gostaríamos de usar os dados que coletamos de Oak Ridge para agilizar o processo, "disse Bryan Owens-Baird, um estudante de pós-graduação pesquisador na Iowa State University e no Laboratório Ames do DOE.

Owens-Baird diz que a síntese de fluxo de metal é particularmente útil para sintetizar substâncias que pesquisadores e fabricantes não podem produzir a partir de uma reação direta de elementos. Em vez de, os cientistas devem dissolver os reagentes em fluxos de metal fundido, como estanho e chumbo. Esses fluxos, então, agem como solventes, reduzindo o composto líquido em novos produtos que se cristalizam no fundido à medida que ele esfria.

"Por exemplo, se você aquecer e resfriar uma solução de fluxo de estanho com níquel elementar e fósforo, o que você tem no final ainda é estanho elementar, mas você formou um material de fosfeto de níquel. O fluxo atua como uma espécie de mediador para ajudar a cristalizar este produto desejado a partir do fundido, "disse Owens-Baird.

Mas prever exatamente quais produtos emergirão do derretimento de resfriamento é complicado. Owens-Baird explica que os pesquisadores não entendem inteiramente como os fluxos de metal interagem com outros elementos enquanto estão se transformando juntos na fusão. Isso torna difícil usar a síntese de fluxo de metal com eficiência e exige que os pesquisadores confiem muito em sua intuição química.

"O estado fundido é como uma caixa preta. Só não sabemos necessariamente sobre as interações que estão ocorrendo dentro da fusão e se essas interações estão correlacionadas aos produtos que são cristalizados no resfriamento, "disse Owens-Baird.

Para quebrar essa caixa preta, Owens-Baird e sua equipe estão usando o instrumento difratômetro de materiais ordenados em nanoescala, ou NOMAD, na SNS para observar em primeira mão como os fluxos de metal e outros elementos interagem uns com os outros em um estado fundido. A capacidade de aquecer amostras a mais de 2.000 ° F antes de sondá-las com nêutrons permite que a equipe rastreie as distâncias entre os átomos dentro dos compostos fundidos conforme eles interagem no derretimento, e como eles cristalizam quando os compostos esfriam novamente para um estado sólido.

Owens-Baird foi apresentado ao instrumento NOMAD pela primeira vez em 2017, enquanto frequentava a Escola Nacional de Dispersão de Nêutrons e Raios-X, patrocinado todos os anos pelo ORNL e pelo Laboratório Nacional de Argonne. Ele disse que a escola o ajudou a desenvolver a experiência necessária para seu experimento, fornecendo-lhe conhecimento das capacidades da linha de luz e experiência prática.

Como os nêutrons são sensíveis aos elementos leves, eles permitem que Owens-Baird e sua equipe localizem com precisão elementos específicos em seus compostos, como fósforo e silício.

"Os fluxos que estamos analisando são estanho e chumbo, que são relativamente pesados ​​e dominam o sinal em experimentos baseados em raios-X. Os nêutrons são ótimos porque ainda podemos ver claramente o que esses elementos mais leves estão fazendo, e a intensidade de espalhamento não é baseada no número atômico, "disse Owens-Baird.

Owens-Baird espera que sua equipe seja capaz de usar os resultados de seu experimento para estabelecer uma correlação firme entre as interações de fluxo de metal com outros elementos na fusão e os produtos cristalinos que aparecem quando esses compostos metálicos fazem a transição da fusão de volta para o sólido Estado. Essa correlação pode eventualmente permitir que outros pesquisadores e fabricantes empreguem melhor a síntese de fluxo de metal para gerar novos materiais de estado sólido avançados de forma rápida e eficiente.

"Se funcionar, e podemos localizar essa correlação, estaremos preparando as bases para um futuro realmente brilhante na química de estado sólido, "disse Owens-Baird.