I materiali allo stato solido sono importanti per lo sviluppo di nuove tecnologie, dalle applicazioni delle energie rinnovabili all'elettronica. La produzione di questi materiali avanzati spesso richiede la sintesi del flusso di metallo, un processo complesso che si basa molto su costosi tentativi ed errori.

Con l'obiettivo di rendere il processo più efficiente, un team di ricercatori della Iowa State University sta utilizzando la diffusione di neutroni presso la Spallation Neutron Source (SNS), situato presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia (DOE). Sanno già che i fondenti metallici come stagno e piombo possono essere impiegati come solventi per promuovere la reazione degli elementi per formare prodotti cristallini puri. Ora, vogliono capire meglio come quei flussi metallici interagiscono con altri elementi quando si fondono in un unico composto fuso. Se riescono a identificare una correlazione tra quelle interazioni e i prodotti cristallini che compaiono dopo il raffreddamento del fuso, conoscere la correlazione potrebbe portare a processi migliorati per la produzione di nuove classi di materiali avanzati.

"Proprio adesso, la sintesi del flusso di metalli è un processo sperimentale che utilizza molte congetture. Vorremmo utilizzare i dati che raccogliamo da Oak Ridge per semplificare il processo, " ha detto Bryan Owens-Baird, uno studente laureato ricercatore presso la Iowa State University e il DOE's Ames Laboratory.

Owens-Baird afferma che la sintesi del flusso di metalli è particolarmente utile per sintetizzare sostanze che ricercatori e produttori non possono produrre da una reazione diretta di elementi. Anziché, gli scienziati devono dissolvere i reagenti nei flussi di metallo fuso come stagno e piombo. Quei flussi poi agiscono come solventi, riducendo il composto liquido in nuovi prodotti che cristallizzano dal fuso mentre si raffredda.

"Per esempio, se riscaldi e raffreddi una soluzione di fondente di stagno con nichel elementare e fosforo, quello che hai alla fine è ancora stagno elementare, ma hai formato un materiale di fosfuro di nichel. Il flusso agisce come una sorta di mediatore per aiutare a cristallizzare questo prodotto desiderato fuori dal fuso, " disse Owens-Baird.

Ma prevedere esattamente quali prodotti emergeranno dal fuso di raffreddamento è complicato. Owens-Baird spiega che i ricercatori non comprendono del tutto come i flussi metallici interagiscono con altri elementi mentre si trasformano insieme nella fusione. Ciò rende difficile utilizzare la sintesi del flusso di metallo in modo efficiente e richiede che i ricercatori facciano molto affidamento sulla loro intuizione chimica.

"Lo stato fuso è come una scatola nera. Semplicemente non sappiamo necessariamente delle interazioni che si verificano all'interno della fusione e se queste interazioni sono correlate ai prodotti che si cristallizzano durante il raffreddamento, " disse Owens-Baird.

Per rompere quella scatola nera, Owens-Baird e il suo team stanno utilizzando lo strumento diffrattometro per materiali ordinati su nanoscala, o NOMADE, presso SNS per osservare in prima persona come i flussi metallici e altri elementi interagiscono tra loro allo stato fuso. La capacità di riscaldare i campioni a oltre 2000°F prima di sondarli con neutroni consente al team di tracciare le distanze tra gli atomi all'interno dei composti fusi mentre interagiscono nella fusione, e mentre si cristallizzano quando i composti si raffreddano nuovamente allo stato solido.

Owens-Baird è stato introdotto per la prima volta allo strumento NOMAD nel 2017 mentre frequentava la National School on Neutron and X-ray Scattering, ospitato ogni anno da ORNL e Argonne National Laboratory. Ha detto che la scuola lo ha aiutato a sviluppare le competenze necessarie per il suo esperimento fornendogli la conoscenza delle capacità della linea di luce e l'esperienza pratica.

Poiché i neutroni sono sensibili agli elementi leggeri, consentono a Owens-Baird e al suo team di individuare con precisione elementi specifici nei loro composti, come fosforo e silicio.

"I flussi che stiamo osservando sono stagno e piombo, che sono entrambi relativamente pesanti e dominano il segnale negli esperimenti basati sui raggi X. I neutroni sono fantastici perché possiamo ancora vedere chiaramente cosa stanno facendo quegli elementi più leggeri, e l'intensità di dispersione non è basata sul numero atomico, " disse Owens-Baird.

Owens-Baird spera che il suo team sarà in grado di utilizzare i risultati del loro esperimento per stabilire una solida correlazione tra le interazioni metallo-flusso con altri elementi nella massa fusa e i prodotti cristallini che appaiono quando questi composti metallici passano dalla fusione allo stato solido stato. Tale correlazione potrebbe eventualmente consentire ad altri ricercatori e produttori di utilizzare meglio la sintesi del flusso di metallo per generare nuovi materiali avanzati allo stato solido in modo rapido ed efficiente.

"Se funziona, e possiamo individuare questa correlazione, getteremo le basi per un futuro davvero brillante nella chimica dello stato solido, " disse Owens-Baird.