《自然》：材料发现的革命性新方法

诸平

Fig. 1 Scientists have developed a new technique for discovering and synthesizing new crystalline materials composed of two or more elements. These materials have potential uses in power, transportation, and microelectronics, including particle accelerators, MRI, quantum computing, and energy efficiency.

Fug. 2 Reaction pathway from simple precursor to complex structure. The final product here is a layered structure with five elements — sodium, barium, oxygen, copper, and sulfur. Credit: Argonne National Laboratory

据美国能源部阿贡国家实验室（DOE / Argonne National Laboratory）2023年1月27日报道，难以想象的解锁：材料发现的革命性新方法（Unlocking the Unimaginable: Revolutionary New Method for Materials Discovery）。

科学家们开发了一种新技术，用于发现和合成由两种或多种元素组成的新型晶体材料。这些材料在电力、交通和微电子领域包括粒子加速器、MRI、量子计算和能源效率等具有潜在用途。

最熟练的艺术家可以使用几种不同颜色的颜料创作出独一无二的杰作。他们通过利用灵感、过去的艺术知识和在工作室多年实践中学到的原则来实现这一目标。

化学家在开发新化合物时采用类似的过程。来自美国能源部 阿贡国家实验室（U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory）、西北大学（Northwestern University）和芝加哥大学（The University of Chicago）的一组研究人员创造了一种新技术，用于识别和合成包含两种或多种元素的晶体材料。相关研究结果于2022年11月9日已经在《自然》(Nature)杂志网站发表——Xiuquan Zhou, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Wenqian Xu, Luqing Wang, Tieyan Chang, Yu-Sheng Chen, Lei Yu, Jianguo Wen, Maria K. Y. Chan, Duck Young Chung, Mercouri G. Kanatzidis. Discovery of chalcogenides structures and compositions using mixed fluxes. Nature, Published: 09 November 2022. Volume 612, Pages 72–77. DOI: 10.1038/s41586-022-05307-7. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05307-7

“我们希望我们的工作将证明对化学界、材料界以及凝聚态界非常有价值，因为它们可以合成新的和目前不可预测的具有奇异特性的材料，”在阿贡国家实验室联合任命的美国西北大学化学教授迈尔库里·卡纳茨迪斯（Mercouri Kanatzidis）说。

来自阿贡国家实验室的图2（Fig. 2）显示了从简单前体到复杂结构的反应途径。这里的最终产品是一种包含5种元素（Na、Ba、O、Cu和S）的层状结构。

阿贡国家实验室的博士后、该论文的第一作者周秀全（Xiuquan Zhou音译）说：“我们发明的方法源于对非常规超导体的研究。这些是具有两种或多种元素的固体，其中至少一种不是金属。而且它们在不同温度下不再阻止电流通过，不同温度是指从比外太空更冷的温度到我办公室的温度。”

在过去的50年里，科学家们发现并制造了许多具有惊人磁学和电学特性的非常规超导体。此类材料具有广泛的应用前景，例如改进发电、能量传输和高速运输。它们还有可能被纳入未来的粒子加速器、磁共振成像系统、量子计算机和节能微电子产品中。

该团队的发明方法始于一种由两部分组成的解决方案。一种是高效溶剂。它溶解并与添加到溶液中的任何固体反应。另一个不是很好的溶剂。但它用于调整反应以在添加不同元素时产生新的固体。这种调整涉及改变两种成分的比例和温度。这里的温度相当高，从750 ℉到 1300 ℉。

迈尔库里·卡纳茨迪斯指出：“我们关心的不是让已知材料变得更好，而是发现无人知晓或理论家想象不到的材料。通过这种方法，我们可以避免对已知材料的反应途径，并沿着新途径进入未知和不可预测的领域。”

作为测试案例，研究人员将他们的方法应用于由三到五种元素组成的结晶化合物。正如上述在《自然》杂志上报道的那样，他们的发现方法产生了30种以前未知的化合物。其中10种具有前所未见的结构。

该团队制备了其中一些新化合物的单晶，并在芝加哥大学（UChicago）和阿贡国家实验室的相关设备上表征了它们的结构。“借助高级光子源（Advanced Photon Source简称APS）的光束线17-BM-B，我们能够跟踪反应过程中形成的不同化学相的结构演变，”17-BM-B光束线科学家徐文倩（Wenqian Xu音译）说。

周秀全说：“传统上，化学家发明和制造新材料仅依赖于对起始成分和最终产品的了解。APS 数据使我们还可以考虑反应过程中形成的中间产物。”

位于阿贡国家实验室的另一个DOE科学办公室（DOE Office of Science）用户设施纳米材料中心（The Center for Nanoscale Materials）为该项目贡献了关键的实验数据和理论计算。

这只是可能性的开始，因为该方法几乎可以应用于任何结晶固体。它还可以应用于生产许多不同的晶体结构。这包括多个堆叠层、一个原子厚的单层以及未连接的分子链。这种不寻常的结构具有不同的特性，是开发下一代材料的关键，不仅适用于超导体（superconductors），还适用于微电子学（microelectronics）、电池、磁体等。

该研究由美国能源部科学办公室基础能源科学项目（US DOE Office of Basic Energy Sciences under contract no. DE-AC02-06CH11357）资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Advancements in many modern technologies rely on the continuous need for materials discovery. However, the design of synthesis routes leading to new and targeted solid-state materials requires understanding of reactivity patterns^1,2,3. Advances in synthesis science are necessary to increase efficiency and accelerate materials discovery^{4,5,6,7,8,9,10}. We present a highly effective methodology for the rational discovery of materials using high-temperature solutions or fluxes having tunable solubility. This methodology facilitates product selection by projecting the free-energy landscape into real synthetic variables: temperature and flux ratio. We demonstrate the effectiveness of this technique by synthesizing compounds in the chalcogenide system of A(Ba)-Cu-Q(O) (Q = S or Se; A = Na, K or Rb) using mixed AOH/AX (A = Li, Na, K or Rb; X = Cl or I) fluxes. We present 30 unreported compounds or compositions, including more than ten unique structural types, by systematically varying the temperature and flux ratios without requiring changing the proportions of starting materials. Also, we found that the structural dimensionality of the compounds decreases with increasing reactant solubility and temperature. This methodology serves as an effective general strategy for the rational discovery of inorganic solids.