دانشمندان مواد پنهانی را کشف کردند که می تواند باتری ها و سوخت های خورشیدی را بهبود بخشد

این مطالعه، منتشر شده در ارتباطات طبیعت، روی فازهای میانی تمرکز می کند که با تبدیل مولکول ها به مواد جامد ظاهر می شوند. این مراحل موقت اغلب نادیده گرفته می شوند زیرا دانشمندان تمایل دارند بر محصول نهایی تمرکز کنند. با تصویربرداری و مطالعه آنها، محققان مسیری ممکن برای رسیدن به موادی را کشف کردند که دستیابی به آنها از طریق سنتز متعارف دشوار یا غیرممکن است.

مراحل پنهان در طول شکل گیری مواد

دکتر سباستین پایک، دپارتمان شیمی دانشگاه وارویک، گفت: “وقتی مواد با حرارت تولید می شوند، دانشمندان معمولا بر محصول نهایی “B” که از “A” ساخته شده است تمرکز می کنند. اما این مطالعه نشان می دهد که مراحل بسیار جذابی بین A و B وجود دارد و این مراحل پنهان می توانند به همان اندازه مهم باشند.

«ما دقیقاً نمی‌دانستیم چه چیزی پیدا خواهیم کرد، اما مطمئن بودیم که چیز جالب و ناشناخته‌ای در مراحل میانی وجود خواهد داشت. ما هیجان‌زده شدیم که متوجه شدیم برخی از آنها حتی از اولین آزمایش‌ها می‌توانند کاربرد عملی داشته باشند.”

محققان با طراحی ویژه “پیش سازهای تک منبعی” شروع کردند، مولکول هایی که حاوی تمام عناصر مورد نیاز برای ایجاد یک ماده هستند. سپس مشاهده می کنند که چگونه این مولکول ها با افزایش دما تغییر می کنند.

این رویکرد چندین مرحله مادی ناشناخته را نشان داد. یکی از آنها شکل جدید و از نظر جنبشی تثبیت شده از بیسموت وانادات (BiVO₄) که محققان آن را β-BiVO نامیدند₄.

شکل جدیدی از بیسموت وانادات

BiVO₄ به دلیل «شکاف کاوشگر» مفید (انرژی مورد نیاز برای جذب نور خورشید و انجام واکنش‌های شیمیایی) در تحقیقات انرژی پاک مورد توجه قرار گرفته است. خواص آن به آن اجازه می دهد تا نور خورشید را به طور موثر جذب کند و در عین حال انرژی کافی برای شکافتن آب و تولید سوخت هیدروژن تمیز را ارائه دهد.

β-BiVO تازه شناسایی شده₄ دارای آرایش اتمی است که با اشکال شناخته شده مواد متفاوت است. همچنین دارای پهنای باند بسیار گسترده‌تری است که نحوه تعامل آن با نور را تغییر می‌دهد.

این تفاوت‌ها می‌تواند روش‌های جدیدی را برای استفاده از مواد برای تولید سوخت خورشیدی، کاتالیزور و الکترونیک به محققان ارائه دهد.

پتانسیل برای باتری های نسل بعدی

فازهای میانی تازه کشف شده ممکن است کاربردهایی فراتر از انرژی خورشیدی نیز داشته باشند. یکی دیگر از مواد پنهان شناسایی شده در طول آزمایش‌ها، قابلیت ذخیره مقادیر زیادی لیتیوم را دارد که این احتمال را افزایش می‌دهد که می‌تواند به فناوری‌های باتری نسل بعدی کمک کند.

دکتر دومینیک کوبیکی، دانشکده شیمی دانشگاه بیرمنگام، گفت: “چیزی که هیجان انگیز است این است که این مواد “واسطه” فقط سنگ پله نیستند بلکه می توانند خواص مفیدی داشته باشند. با درک و کنترل نحوه شکل گیری آنها، می توانیم شروع به طراحی مواد بهتر برای باتری ها، کاتالیزور و انرژی خورشیدی کنیم.

برای مشاهده این حالت‌های معمولاً پنهان، محققان چندین تکنیک پیشرفته از جمله طیف‌سنجی NMR حالت جامد، پراش اشعه ایکس و تجزیه و تحلیل تابع توزیع زوجی را با هم ترکیب کردند.

نتایج آنها همچنین نشان می‌دهد که پیش‌ساز انتخاب شده در اوایل فرآیند، همراه با چگونگی تجزیه پیش‌ساز، می‌تواند به شدت بر تشکیل مواد تأثیر بگذارد. با کنترل این عوامل، محققان ممکن است قادر به تولید سازه هایی باشند که با استفاده از روش های گرمایش استاندارد به سختی به دست می آیند.

مسیری جدید به سوی مواد کشف نشده

یافته‌ها نشان می‌دهند که مراحل موقتی در شکل‌گیری مواد ممکن است منبعی تا حد زیادی ناشناخته از ترکیبات مفید باشد. به جای تلقی ساختارهای میانی صرفاً به عنوان گام های کوتاه در مسیر رسیدن به ماده نهایی، دانشمندان ممکن است بتوانند آگاهانه آنها را برای کاربردهای عملی ایجاد و تثبیت کنند.

دکتر پایک نتیجه گیری می کند: “ما در اینجا فقط چند پیش ساز را مطالعه کرده ایم، اما این کار به امکان گسترده تری در علم مواد اشاره می کند. با کنترل دقیق دما، شیمی پیش سازها و مسیرهای واکنش، ممکن است مواد “پنهان” اما بسیار مفید بیشتری پیدا شود.”