Naukowcy z Uniwersytetu Rice zaprezentowali przełomową metodę zwaną ogrzewaniem Joule’a typu flash-in-flash (FWF), umożliwiającą szybkie i zrównoważone wytwarzanie wysokiej jakości materiałów półprzewodnikowych.
Ta innowacyjna technika nie tylko minimalizuje zużycie energii, zużycie wody i emisję gazów cieplarnianych o ponad 50%, ale także umożliwia tworzenie zaawansowanych materiałów, takich jak półprzewodniki i komponenty lotnicze, ustanawiając nowy standard w wydajności produkcji i odpowiedzialności za środowisko.
Ogrzewanie dżulowe w obrębie błysku
Laboratorium Jamesa Tour na Uniwersytecie Rice opracowało nową metodę znaną jako ogrzewanie Joule’a typu flash-in-flash (FWF), która może przekształcić syntezę wysokiej jakości materiałów półprzewodnikowych, oferując czystszy, szybszy i bardziej zrównoważony proces produkcyjny. Wyniki opublikowano 8 sierpnia br Chemia Przyrody.
Tradycyjnie synteza materiałów w stanie stałym była procesem czasochłonnym i energochłonnym, któremu często towarzyszyło wytwarzanie szkodliwych produktów ubocznych. Jednak FWF umożliwia produkcję różnorodnych związków w skali gramowej w ciągu kilku sekund, redukując jednocześnie energię, zużycie wody i emisję gazów cieplarnianych o ponad 50%, ustanawiając nowy standard zrównoważonej produkcji.
Nauka stojąca za FWF
Innowacyjne badania opierają się na rozwoju aplikacji Tour 2020 w zakresie usuwania odpadów i upcyklingu błyskawiczne ogrzewanie Joule’atechnika polegająca na przepuszczaniu prądu przez materiał o średniej rezystancji w celu szybkiego podgrzania go do ponad 3000 stopni Celsjusz (ponad 5000 stopni Fahrenheita) i przekształcić go w inne substancje.
„Kluczem jest to, że wcześniej błyskaliśmy węglem i kilkoma innymi związkami, które mogły przewodzić” – powiedział Tour, profesor chemii w TT i WF Chao oraz profesor nauk o materiałach i nanoinżynierii. „Teraz możemy dokonać błyskawicznej syntezy reszty układu okresowego. To duży postęp.”
Przełom w produkcji materiałów
Sukces FWF polega na jego zdolności do przezwyciężenia ograniczeń przewodności konwencjonalnych metod błyskawicznego ogrzewania Joule’a. Zespół — w tym dr hab. student Chi Hun „Will” Choi i autor do korespondencji Yimo Han, adiunkt chemii, inżynierii materiałowej i nanoinżynierii — włączyli zewnętrzne naczynie do ogrzewania błyskawicznego wypełnione koksem metalurgicznym i półzamknięty reaktor wewnętrzny zawierający docelowe odczynniki. FWF wytwarza intensywne ciepło o temperaturze około 2000 stopni Celsjusza, które poprzez przewodzenie ciepła szybko przekształca odczynniki w materiały wysokiej jakości.
Jak wynika z badania, to nowatorskie podejście umożliwia syntezę ponad 20 unikalnych, selektywnych fazowo materiałów o wysokiej czystości i konsystencji. Wszechstronność i skalowalność FWF idealnie nadaje się do produkcji materiałów półprzewodnikowych nowej generacji, takich jak diselenek molibdenu (MoSe2), diselenek wolframu i selenek indu w fazie alfa, które są niezwykle trudne do syntezy przy użyciu konwencjonalnych technik.
Konsekwencje dla przemysłu i badań
„W przeciwieństwie do metod tradycyjnych, FWF nie wymaga dodawania środków przewodzących, co ogranicza powstawanie zanieczyszczeń i produktów ubocznych” – powiedział Choi.
Postęp ten stwarza nowe możliwości w elektronice, katalizie, energetyce i badaniach podstawowych. Oferuje również zrównoważone rozwiązanie do produkcji szerokiej gamy materiałów. Co więcej, FWF ma potencjał zrewolucjonizowania takich gałęzi przemysłu, jak przemysł lotniczy, gdzie materiały takie jak MoSe2 wytwarzany przez FWF wykazują doskonałe działanie jako smary w stanie stałym.
„FWF reprezentuje transformacyjną zmianę w syntezie materiałów” – powiedział Han. „Zapewniając skalowalną i zrównoważoną metodę wytwarzania wysokiej jakości materiałów półprzewodnikowych, projekt usuwa bariery w produkcji, torując jednocześnie drogę do czystszej i bardziej wydajnej przyszłości”.
Odniesienie: „Synteza błyskawiczna materiałów półprzewodnikowych w skali gramowej” autorstwa Chi Hun „William” Choi, Jaeho Shin, Lucas Eddy, Victoria Granja, Kevin M. Wyss, Bárbara Damasceno, Hua Guo, Guanhui Gao, Yufeng Zhao, C. Fred Higgs III, Yimo Han i James M. Tour, 8 sierpnia 2024 r., Chemia Przyrody.
DOI: 10.1038/s41557-024-01598-7
Badanie to zostało wsparte przez Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych, Korpus Inżynierów Armii Stanów Zjednoczonych i Fundację Welch.
