Kimya maddeleri ısıtılırken kısa süreli oluşan “arada kalan” malzemelerin gizli bir dünyasını ortaya çıkaran bilim insanları, geleneksel yöntemlerin kaçırdığı yapıları görünür hale getirdi. Keşifler arasında güneş ışığını kullanarak temiz hidrojen üretiminde yaygın şekilde çalışılan bismut vanadatın daha önce bilinmeyen bir formu yer alıyor. Yeni versiyon farklı bir atomik yapıya sahip ve ışığıyla etkileşimi çarpıcı biçimde değişiyor; bu durum güneş yakıtları, katalizörler ve elektronik için yeni olanaklar açabilir.
Araştırmacılar, moleküler öncüllerin ısınma sırasında nasıl parçalandığını ve dönüştüğünü yakından izleyerek daha önce bilinmeyen malzemeleri ortaya çıkardı. Keşifler arasında iyi çalışılmış bir temiz enerji malzemesinin yeni bir formu bulunuyor.
Malzeme oluşumunda gizli aşamalar
Nature Communications dergisinde yayımlanan çalışma, moleküllerin katı malzemeye dönüşürken ortaya çıkan ara fazlara odaklanıyor. Bu geçici evreler genellikle göz ardı ediliyor çünkü bilim insanları çoğunlukla son ürüne bakıyor. Araştırmacılar bu evreleri yakalayıp inceleyerek geleneksel sentezle elde edilmesi zor ya da imkansız malzemelere ulaşılabilecek bir yol buldu.
Warwick Üniversitesi Kimya Bölümü’nden Dr. Sebastian Pike, “Malzemeler ısıtılarak üretildiğinde bilim insanları genelde ‘A’dan elde edilen ‘B’ olan son ürüne odaklanır. Bu çalışma, ‘A’ ile ‘B’ arasında pek çok büyüleyici aşamanın bulunduğunu gösteriyor ve bu gizli adımlar da aynı derecede önemli olabilir” dedi.
“Neye rastlayacağımızı tam olarak bilmiyorduk ama ara fazlarda ilginç ve bilinmeyen bir şey olacağına emindik. Bazılarının ilk deneylerden itibaren pratik kullanıma sahip olabileceğini keşfetmek bizi çok sevindirdi” diye ekledi.
Araştırmacılar tüm gerekli elementleri içeren özel tasarlanmış ‘tek kaynaklı öncüller’ ile başladı. Bu moleküllerin sıcaklık arttıkça nasıl değiştiğini izlediler.
Bu yaklaşım daha önce bilinmeyen birkaç malzeme fazını ortaya çıkardı. Bunlardan biri bismut vanadatın BiVO4 kinetik olarak stabilize yeni bir formu olup araştırmacılar tarafından β-BiVO4 olarak adlandırıldı.
Bismut vanadatın yeni formu
BiVO4, güneş ışığını emip kimyasal reaksiyonları sürmek için gereken ‘bant aralığı’ özelliği nedeniyle temiz enerji araştırmalarında ilgi görüyor. Özellikleri sayesinde güneş ışığını etkili biçimde absorbe ederken suyu bölüp temiz hidrojen yakıtı üretmek için yeterli enerji sağlayabiliyor.
Yeni tanımlanan β-BiVO4, malzemenin bilinen formlarından farklı bir atomik düzene sahip. Ayrıca önemli ölçüde daha büyük bir bant aralığına sahip olması ışığıyla etkileşim biçimini değiştiriyor.
Bu farklılıklar, araştırmacılara güneş yakıtı üretimi, kataliz ve elektronik için malzemeleri ayarlamada yeni yollar sunabilir.
Yeni nesil piller için potansiyel
Keşfedilen ara fazların güneş enerjisinin ötesinde kullanımları da olabilir. Deneyler sırasında tespit edilen gizli bir malzeme büyük miktarda lityum depolayabildi, bu da yeni nesil pil teknolojilerine katkı sağlayabileceği ihtimalini güçlendirdi.
Birmingham Üniversitesi Kimya Okulu’ndan Dr. Dominik Kubicki, “Heyecan verici olan şey bu ‘arada kalan’ malzemelerin sadece geçiş basamağı olmaması; kendi başlarına kullanışlı özelliklere sahip olabilmeleri. Nasıl oluştuğunu anlayıp kontrol ettiğimizde piller, kataliz ve güneş enerjisi için daha iyi malzemeler tasarlamaya başlayabiliriz” dedi.
Araştırmacılar bu normalde gizli kalan durumları gözlemlemek için katı hal NMR spektroskopisi, X-ışını kırınımı ve çift dağılım fonksiyonu analizi dahil olmak üzere birkaç ileri tekniği birleştirdi.
Sonuçlar, sürecin başında seçilen öncülün ve bu öncülün nasıl parçalandığının hangi malzemelerin oluşacağını güçlü biçimde etkilediğini gösterdi. Bu faktörler kontrol edildiğinde standart ısıtma yöntemleriyle elde edilmesi zor yapılar üretilebileceği ortaya çıktı.
Keşfedilmemiş malzemelere yeni bir rota
Bulgular, malzeme oluşumundaki geçici aşamaların kullanılabilecek bileşiklerin büyük ölçüde keşfedilmemiş bir kaynağı olabileceğini gösteriyor. Ara fazlar sadece son malzemeye giden kısa adımlar olarak görülmek yerine pratik uygulamalar için bilinçli biçimde oluşturulup stabilize edilebiliyor.
Dr. Pike, “Burada sadece birkaç öncülü inceledik ama bu çalışma malzeme biliminde daha geniş bir fırsata işaret ediyor. Sıcaklık, öncül kimyası ve reaksiyon yollarını dikkatle kontrol ederek bulunmayı bekleyen daha birçok ‘gizli’ ama son derece kullanışlı malzeme olabilir” diye sonlandırdı.
