Un gruppo di ricerca guidato dal ricercatore in fisica e ingegneria fisica dell’USask College of Arts and Science, Dr. Alexander Moewes (PhD), Canada Research Chair in Materials Science with Synchrotron Radiation, sta studiando un nuovissimo composto, che potrebbe portare a nuove proprietà dei materiali come ultra-durezza e luminescenza.
“Non c’è una singola applicazione ‘home run’, ma è un grande passo avanti”, ha detto Moewes.
A 800oC ea una pressione quasi 60.000 volte superiore alle normali condizioni atmosferiche sulla Terra, i collaboratori di ricerca dell’Università Ludwig-Maximilians di Monaco (LMU) sono riusciti a creare un nuovo composto mai visto prima mescolando azoto e fosforo con germanio, un composto duro , brillante, elemento grigio correlato al silicio e al carbonio.
Il team di ricerca di Moewes, che comprendeva il dottorando post-dottorato Dr. Tristan de Boer (PhD) e lo studente universitario Cody Somers, ha quindi analizzato sperimentalmente questo nuovo composto sulla linea di luce del team al sincrotrone della Canadian Light Source (CLS) di USask, scoprendo che aveva due elettroni in il suo guscio esterno che non si legava – le cosiddette “coppie solitarie”. Questa è la prima volta che sono state osservate coppie solitarie con germanio in composti azoto-fosforo.
“Gli elettroni esterni, o elettroni di valenza, in genere si legano, ma questi elettroni a coppia solitaria non partecipano al legame e possono essere utilizzati per personalizzare le proprietà dei materiali”, ha affermato Moewes.
La ricerca, pubblicata in Angewandte Chemiestabilito attraverso calcoli che c’era uno squilibrio nella struttura del materiale dovuto alla coppia solitaria, rendendo questo composto strutturalmente diverso da ogni altro composto simile.
“Hai questo grande canale chiuso, come una cannuccia vuota nel materiale”, ha detto de Boer. “In questo caso, le coppie solitarie lo stanno stabilizzando.”
Il team di USask ha quindi utilizzato la luce di sincrotrone al CLS, bombardando la sostanza con raggi X per comprenderne la struttura e confermando che aveva una coppia di elettroni non leganti, come previsto. I risultati sono stati pubblicati in Rivista di Chimica dei Materiali A.
I risultati aprono una porta allo sviluppo di una nuova varietà di materiali avanzati nella stessa classe dei materiali più duri sulla Terra, oltre a mantenere la promessa di creare nuovi semiconduttori e nuovi isolanti e altri materiali che sfruttano la struttura unica di questo tipo di materiale. .
“Il Santo Graal è che gradualmente approfondiamo la nostra comprensione e possiamo quindi idealmente progettare prima i materiali sul computer, per poi realizzarli infine in laboratorio”, ha affermato Moewes.
La ricerca di Moewes è stata finanziata dalle sovvenzioni del Canada’s Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC), tra cui un NSERC Undergraduate Student Research Award per Somers e finanziamenti dal Canada Research Chair Program.
L’antimonio sta da solo
Un altro gruppo di ricerca dell’USask College of Arts and Science sta scavando a fondo nell’antimonio, un altro membro della famiglia del pnictogeno, per sviluppare una maggiore comprensione della chimica di base. L’antimonio è significativo come potenziale tossina ambientale: alcuni composti di antimonio sono più tossici dell’arsenico e si trovano in materiali come la plastica utilizzata nelle bottiglie di bibite.
può anche esistere come una singola unità senza essere incatenata insieme, come con gli altri elementi del Gruppo 15: azoto, fosforo e arsenico. In precedenza si riteneva che l’ossido di antimonio esistesse solo in catene ripetute e non come monomero, una molecola a sé stante.
“Questo era qualcosa che non era stato osservato in precedenza: fino ad ora, l’antimonio era un valore anomalo tra i pnictogeni”, ha affermato il dott. Graham George (DPhil), ricercatore di scienze geologiche di USask, presidente della ricerca canadese in spettroscopia di assorbimento dei raggi X. “L’osservazione è davvero importante per comprendere la chimica delle tendenze di gruppo”.
La forma del monomero, una sostanza solida e bianca con una sfumatura gialla, è stata creata in un laboratorio dell’Università della California a Santa Cruz dai collaboratori di George, il dottor Timothy Johnstone (PhD) e lo studente laureato John Wenger. Dalla UC Santa Cruz, la sostanza è stata avvolta in una ciotola di carbonio appositamente progettata, una trappola per impedire ai monomeri di unirsi, e spedita al sincrotrone della Stanford University per l’analisi dell’assorbimento dei raggi X da parte di George e della studentessa Monica Weng.
I prossimi passi nella ricerca di George comportano l’uso di diverse tecniche di sincrotrone per eseguire un’analisi più approfondita dei composti a base di antimonio per comprendere meglio la loro struttura elettronica.
La ricerca di George è stata supportata da , dal programma Canada Research Chair, dall’Università di Saskatchewan (GNG), dal programma United States Departm of Energy Basic Energy Sciences, dagli United States National Institutes of Health e dalla National Science Foundation.
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