پژوهشگران به مراحل پنهانی در فرآیند ساخت مواد دست یافتهاند که میتواند به ابداع فناوریهای کاملاً جدیدی در زمینه انرژیهای پاک و باتریهای پیشرفته منجر شود. این تیم با ردیابی دقیق تغییرات مولکولهای بهخصوص طراحیشده در هنگام حرارت دیدن، موفق به شناسایی موادی شدند که پیش از این ناشناخته بودند؛ از جمله شکل جدیدی از یک ترکیب بسیار نویدبخش در حوزه انرژی خورشیدی.
این کشف، رویکرد دیرینه علم شیمی را به چالش میکشد. دانشمندان معمولاً تمرکز خود را روی مواد اولیه (شروعکننده) و ماده نهایی حاصل از فرآیند حرارتدهی معطوف میکنند. اما این مطالعه در مقابل، به بررسی فازهای انتقالیِ کوتاه و ناپایدار پرداخت که در این میان پدیدار میشوند؛ این بررسی نشان داد که این حالتهای نادیدهگرفتهشده میتوانند خود دارای ویژگیهای ارزشمندی باشند.
این تحقیق که در مجله علمی Nature Communications منتشر شده است، نشان میدهد که بسیاری از مواد کشفنشده ممکن است در همین مراحل موقتِ واکنشهای شیمیایی پنهان شده باشند.
مراحل پنهان در شکلگیری مواد
دکتر سباستین پایک (Sebastian Pike) از دانشکده شیمی دانشگاه وارویک در این رابطه گفت:
وقتی مواد از طریق حرارت دادن ساخته میشوند، دانشمندان معمولاً روی محصول نهایی تمرکز میکنند؛ یعنی همان ماده “B” که از ماده اولیه “A” حاصل میشود. اما این مطالعه نشان میدهد که مراحل شگفتانگیز بسیاری بین “A” و “B” وجود دارد و این گامهای پنهان میتوانند به همان اندازه مهم باشند.
ما دقیقاً نمیدانستیم که در شروع کار با چه چیزی مواجه خواهیم شد، اما اطمینان داشتیم که چیز جالب و ناشناختهای در این فازهای میانی وجود دارد. بسیار هیجانزده شدیم وقتی دریافتیم برخی از این فازها—حتی در همان اولین آزمایشها—میتوانند کاربردهای عملی داشته باشند.
این تیم پژوهشی از «پیشمادههای تکمنبعیِ» ویژهای استفاده کردند؛ مولکولهایی که از قبل حاوی تمام عناصر لازم برای تولید یک ماده هستند. با ردیابی نحوه تغییر این مولکولها در حین حرارت دادن، محققان چندین فاز مادی را شناسایی کردند که پیش از این هرگز دیده نشده بود. یکی از آنها، شکل جدیدی از بیسموت وانادات (BiVO4) بود که از نظر جنبشی (سینتیکی) پایدار شده و به نام β-BiVO4 نامگذاری شده است.
شکل جدیدی از یک ماده در حوزه انرژیهای پاک
ماده BiVO4 به دلیل داشتن «گپ انرژی» یا همان نوار ممنوعه (انرژی مورد نیاز برای جذب نور خورشید و پیشبرد واکنشهای شیمیایی)، ماده مهمی برای فناوریهای انرژی پاک به شمار میرود. گپ انرژی این ماده به آن اجازه میدهد تا نور خورشید را بهطور بهینه جذب کند و در عین حال انرژی کافی برای تجزیه آب و تولید سوخت هیدروژن پاک را فراهم سازد.
ماده تازه شناساییشده β-BiVO4 دارای آرایش اتمی متفاوتی نسبت به نسخههای شناختهشده قبلی این ماده است. محققان دریافتند که این نسخه گپ انرژی بسیار بزرگتری دارد و همین امر باعث میشود تعامل متفاوتی با نور داشته باشد. این ویژگی میتواند به دانشمندان کمک کند تا مواد مورد استفاده در تولید سوختهای خورشیدی، کاتالیزورها و دستگاههای الکترونیکی را به دقت بهینهسازی و تنظیم کنند.
یافتههای این مطالعه ممکن است کاربردهایی فراتر از انرژی خورشیدی نیز داشته باشد. ماده میانی دیگری که در طول این آزمایشها کشف شد، ظرفیت بالایی برای ذخیرهسازی لیتیوم از خود نشان داد که این امر حاکی از کاربرد احتمالی آن در فناوریهای آینده باتری است.
آشکارسازی موادی که معمولاً در طول سنتز پنهان میمانند
دکتر دومینیک کوبیکی (Dominik Kubicki) از دانشکده شیمی دانشگاه بیرمنگام گفت:
نکته هیجانانگیز این است که این مواد “میانی” صرفاً پلههای فرعی برای رسیدن به هدف نیستند، بلکه میتوانند به خودی خود ویژگیهای مفیدی داشته باشند. با درک و کنترل نحوه شکلگیری آنها، میتوانیم طراحی مواد بهتری را برای باتریها، کاتالیزورها و انرژی خورشیدی آغاز کنیم.
پژوهشگران برای شناسایی این حالتهای میانی که معمولاً پنهان میمانند، چندین تکنیک پیشرفته را با یکدیگر ترکیب کردند؛ از جمله طیفسنجی تشدید مغناطیسی هستهای (NMR) حالت جامد، پراش پرتو ایکس (XRD) و آنالیز تابع توزیع جفت (PDF).
این تیم همچنین کشف کرد که نوع پیشماده انتخابی و نحوه تجزیه آن در طول فرآیند حرارت دادن، میتواند تأثیر شدیدی بر چگونگی شکلگیری مواد بگذارد. این رویکرد به محققان اجازه داد تا ساختارهایی را خلق کنند که تولید آنها با روشهای سنتی حرارتدهی بسیار دشوار است.
دکتر پایک در پایان اشاره کرد:
ما در اینجا تنها چند پیشماده محدود را مطالعه کردیم، اما این کار به فرصتهای گستردهتری در علم مواد اشاره دارد. با کنترل دقیق دما، شیمی پیشمادهها و مسیرهای واکنش، ممکن است مواد “پنهان” اما فوقالعاده کاربردی بسیار بیشتری برای کشف کردن وجود داشته باشند.
منبع: Scitechdaily
