研究人员提高熔融金属的热量 以开发未来的技术

固态材料对于开发从可再生能源应用到电子产品的新技术非常重要。制造这些先进材料通常需要金属助焊剂合成，这是一个复杂的过程，在很大程度上依赖于昂贵的反复试验。

为了提高这一过程的效率，爱荷华州立大学的一个研究小组正在位于能源部(DOE)橡树岭实验室(ORNL)的散裂中子源(SNS)上使用中子散射。他们已经知道，锡和铅等金属助焊剂可用作溶剂，以促进元素反应形成纯结晶产品。现在，他们希望更好地了解这些金属助焊剂在熔化成单一熔融化合物时如何与其他元素相互作用。如果他们能够确定这些相互作用与熔体冷却后出现的结晶产品之间的相关性，那么了解相关性可以改善制造新类别先进材料的工艺。

“目前，金属通量合成是一个实验过程，需要大量猜测。我们希望使用我们从橡树岭收集的数据来简化流程，”爱荷华州研究生研究员Bryan Owens-Baird说。州立大学和DOE的艾姆斯实验室。

欧文斯 - 贝尔德说，金属助熔剂合成对合成物质特别有用，研究人员和制造商不能通过元素的直接反应来生产。相反，科学家必须将反应物溶解在锡和铅等熔融金属助熔剂中。然后，这些助熔剂充当溶剂，将液体化合物还原成新产品，当其冷却时从熔体中结晶出来。

“例如，如果你加热并冷却锡助熔剂与元素镍和磷的溶液，你最后得到的仍然是元素锡，但你形成了一种磷化镍材料。助焊剂作为一种调解剂帮助将这种所需产品从熔体中结晶出来，“欧文斯 - 贝尔德说。

但是，确切地预测从冷却熔体中出现哪些产品是棘手的。欧文斯 - 贝尔德解释说，研究人员并不完全了解金属助熔剂在熔体中一起变形时如何与其他元素相互作用。这使得难以有效地使用金属通量合成，并且需要研究人员严重依赖其化学直觉。

“熔化状态就像一个黑盒子。我们不一定知道熔体内发生的相互作用以及这些相互作用是否与冷却时结晶出来的产品有关，”Owens-Baird说。

为了破解这个黑盒子，Owens-Baird和他的团队正在SNS上使用纳米级有序材料衍射仪或NOMAD，直接观察金属助焊剂和其他元素在熔融状态下如何相互作用。在用中子探测样品之前将样品加热到2000°F以上的能力允许团队跟踪熔融化合物中原子之间的距离，因为它们在熔体中相互作用，并且当化合物再次冷却到固态时它们结晶。

Owens-Baird于2017年首次进入NOMAD仪器，同时参加由ORNL和Argonne实验室主办的中子和X射线散射学校。他说，学校通过向他提供有关光束线能力和实践经验的知识，帮助他发展了实验所需的专业知识。

由于中子对轻元素敏感，因此它们使Owens-Baird及其团队能够精确定位其化合物中的特定元素，如磷和硅。

“我们正在研究的通量是锡和铅，它们都相对较重，在X射线实验中主导信号。中子很棒，因为我们仍然可以清楚地看到那些较轻的元素是什么，以及散射强度不是基于原子序数，“欧文斯 - 贝尔德说。

欧文斯 - 贝尔德希望他的团队能够利用他们的实验结果建立金属 - 助熔剂与熔体中其他元素相互作用之间的牢固关联，以及当这些金属化合物从熔体转变为固体时出现的结晶产物州。这种相关性最终可能使其他研究人员和制造商能够更好地利用金属助熔剂合成来快速有效地生成新的先进固态材料。

“如果这样做，我们可以找到这种相关性，我们将为固态化学的一个非常光明的未来奠定基础，”欧文斯 - 贝尔德说。

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