Оказывается, ключ к созданию материалов следующего поколения может прятаться не в готовом продукте, а в тех самых незаметных этапах, которые происходят во время нагревания веществ. Именно так решили поступить учёные из Университета Уорика и Университета Бирмингема. Они научились «ловить» скрытые промежуточные фазы материалов и обнаружили, что эти мимолётные состояния могут обладать уникальными свойствами, недоступными при обычном синтезе.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, меняет привычный взгляд материаловедов. Вместо того чтобы смотреть только на финальный результат («Б», полученное из «А»), команда сосредоточилась на всём пути трансформации. И этот подход принёс настоящие открытия.
Как поймали неуловимое
Обычно промежуточные фазы исчезают слишком быстро, чтобы их можно было изучить и использовать. Чтобы остановить этот «молекулярный бег», учёные применили самые современные методы: твердофазную ЯМР-спектроскопию, рентгеновскую дифракцию и анализ парного распределения функций. В качестве стартовых молекул они выбрали single-source precursors — универсальные прекурсоры, которые позволяют наблюдать превращение шаг за шагом, словно в замедленной съёмке на молекулярном уровне.
«Когда материалы получают нагреванием, учёные обычно фокусируются только на конечном продукте, — объясняет доктор Себастьян Пайк (Sebastian Pike) из Департамента химии Университета Уорика. — Но наше исследование показывает, что между «А» и «Б» скрывается множество интереснейших стадий, и они могут быть не менее важными».
Два прорывных открытия
Главной звездой стала новая модификация ванадата висмута — β-BiVO₄. Этот материал уже хорошо известен своей способностью превращать солнечный свет в водородное топливо. Однако открытая исследователями версия имеет совершенно иную атомную структуру, которая по-новому взаимодействует со светом. Учёные получили дополнительный «регулятор», позволяющий тонко настраивать эффективность солнечных элементов, катализаторов и даже высокопроизводительной электроники.
Не менее перспективным оказался другой промежуточный материал, который продемонстрировал выдающуюся способность поглощать литий. По словам авторов, он может стать основой для аккумуляторов нового поколения — более быстрых в зарядке и с большей ёмкостью.
«Самое интересное, что эти «промежуточные» материалы — не просто ступеньки к финальному продукту. У них самих могут быть очень полезные свойства», — подчёркивает доктор Доминик Кубицки (Dominik Kubicki) из Школы химии Университета Бирмингема.
Работа предлагает совершенно новый подход к синтезу материалов. Вместо жёсткого контроля только конечного результата учёные предлагают внимательно изучать и управлять всем химическим «путешествием». По сути, они создали карту, по которой можно целенаправленно находить ранее неизвестные вещества с уникальными характеристиками — от солнечной энергетики и катализа до новых типов батарей.
Исследователи уверены: если научиться сознательно «останавливать» процесс на нужных промежуточных стадиях, материаловедение получит настоящий кладезь полезных открытий.
