研究人員提高熔融金屬的熱量 以開發(fā)未來的技術(shù)

固態(tài)材料對于開發(fā)從可再生能源應(yīng)用到電子產(chǎn)品的新技術(shù)非常重要。制造這些先進材料通常需要金屬助焊劑合成，這是一個復(fù)雜的過程，在很大程度上依賴于昂貴的反復(fù)試驗。

為了提高這一過程的效率，愛荷華州立大學(xué)的一個研究小組正在位于能源部(DOE)橡樹嶺實驗室(ORNL)的散裂中子源(SNS)上使用中子散射。他們已經(jīng)知道，錫和鉛等金屬助焊劑可用作溶劑，以促進元素反應(yīng)形成純結(jié)晶產(chǎn)品?，F(xiàn)在，他們希望更好地了解這些金屬助焊劑在熔化成單一熔融化合物時如何與其他元素相互作用。如果他們能夠確定這些相互作用與熔體冷卻后出現(xiàn)的結(jié)晶產(chǎn)品之間的相關(guān)性，那么了解相關(guān)性可以改善制造新類別先進材料的工藝。

“目前，金屬通量合成是一個實驗過程，需要大量猜測。我們希望使用我們從橡樹嶺收集的數(shù)據(jù)來簡化流程，”愛荷華州研究生研究員Bryan Owens-Baird說。州立大學(xué)和DOE的艾姆斯實驗室。

歐文斯 - 貝爾德說，金屬助熔劑合成對合成物質(zhì)特別有用，研究人員和制造商不能通過元素的直接反應(yīng)來生產(chǎn)。相反，科學(xué)家必須將反應(yīng)物溶解在錫和鉛等熔融金屬助熔劑中。然后，這些助熔劑充當(dāng)溶劑，將液體化合物還原成新產(chǎn)品，當(dāng)其冷卻時從熔體中結(jié)晶出來。

“例如，如果你加熱并冷卻錫助熔劑與元素鎳和磷的溶液，你最后得到的仍然是元素錫，但你形成了一種磷化鎳材料。助焊劑作為一種調(diào)解劑幫助將這種所需產(chǎn)品從熔體中結(jié)晶出來，“歐文斯 - 貝爾德說。

但是，確切地預(yù)測從冷卻熔體中出現(xiàn)哪些產(chǎn)品是棘手的。歐文斯 - 貝爾德解釋說，研究人員并不完全了解金屬助熔劑在熔體中一起變形時如何與其他元素相互作用。這使得難以有效地使用金屬通量合成，并且需要研究人員嚴(yán)重依賴其化學(xué)直覺。

“熔化狀態(tài)就像一個黑盒子。我們不一定知道熔體內(nèi)發(fā)生的相互作用以及這些相互作用是否與冷卻時結(jié)晶出來的產(chǎn)品有關(guān)，”Owens-Baird說。

為了破解這個黑盒子，Owens-Baird和他的團隊正在SNS上使用納米級有序材料衍射儀或NOMAD，直接觀察金屬助焊劑和其他元素在熔融狀態(tài)下如何相互作用。在用中子探測樣品之前將樣品加熱到2000°F以上的能力允許團隊跟蹤熔融化合物中原子之間的距離，因為它們在熔體中相互作用，并且當(dāng)化合物再次冷卻到固態(tài)時它們結(jié)晶。

Owens-Baird于2017年首次進入NOMAD儀器，同時參加由ORNL和Argonne實驗室主辦的中子和X射線散射學(xué)校。他說，學(xué)校通過向他提供有關(guān)光束線能力和實踐經(jīng)驗的知識，幫助他發(fā)展了實驗所需的專業(yè)知識。

由于中子對輕元素敏感，因此它們使Owens-Baird及其團隊能夠精確定位其化合物中的特定元素，如磷和硅。

“我們正在研究的通量是錫和鉛，它們都相對較重，在X射線實驗中主導(dǎo)信號。中子很棒，因為我們?nèi)匀豢梢郧宄乜吹侥切┹^輕的元素是什么，以及散射強度不是基于原子序數(shù)，“歐文斯 - 貝爾德說。

歐文斯 - 貝爾德希望他的團隊能夠利用他們的實驗結(jié)果建立金屬 - 助熔劑與熔體中其他元素相互作用之間的牢固關(guān)聯(lián)，以及當(dāng)這些金屬化合物從熔體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w時出現(xiàn)的結(jié)晶產(chǎn)物州。這種相關(guān)性最終可能使其他研究人員和制造商能夠更好地利用金屬助熔劑合成來快速有效地生成新的先進固態(tài)材料。

“如果這樣做，我們可以找到這種相關(guān)性，我們將為固態(tài)化學(xué)的一個非常光明的未來奠定基礎(chǔ)，”歐文斯 - 貝爾德說。