Un equipo de investigación dirigido por el investigador de física e ingeniería física de la Facultad de Artes y Ciencias de USask, el Dr. Alexander Moewes (PhD), presidente de investigación de Canadá en ciencia de materiales con radiación sincrotrón, está investigando un compuesto completamente nuevo, que podría conducir a nuevas propiedades materiales. como la ultradureza y la luminiscencia.
“No hay una sola aplicación ‘jonrón’, pero es un gran paso adelante”, dijo Moewes.
A las 800oC y a una presión casi 60 000 veces mayor que las condiciones atmosféricas normales en la Tierra, los investigadores colaboradores de la Universidad Ludwig-Maximilians de Múnich (LMU) lograron crear un nuevo compuesto nunca antes visto al juntar nitrógeno y fósforo con germanio, un compuesto duro , lustroso, elemento gris relacionado con el silicio y el carbono.
El equipo de investigación de Moewes, incluido el becario postdoctoral Dr. Tristan de Boer (PhD) y el estudiante universitario Cody Somers, luego analizó este nuevo compuesto experimentalmente en la línea de luz del equipo en el sincrotrón Canadian Light Source (CLS) de USask, y descubrió que tenía dos electrones en su capa exterior que no se unió, los llamados «pares solitarios». Esta es la primera vez que se observan pares solitarios con germanio en compuestos de nitrógeno-fósforo.
«Los electrones externos, o electrones de valencia, generalmente se unen, pero estos pares de electrones solitarios no participan en la unión y se pueden usar para adaptar las propiedades de los materiales», dijo Moewes.
La investigación, que fue publicada en quimica APLICADAestableció a través de cálculos que había un desequilibrio en la estructura del material debido al par solitario, lo que hacía que este compuesto fuera estructuralmente diferente de cualquier otro compuesto similar.
“Tienes este canal grande y cerrado, como una pajita vacía en el material”, dijo de Boer. “En este caso, los pares solitarios lo están estabilizando”.
Luego, el equipo de USask usó luz de sincrotrón en el CLS, bombardeando la sustancia con rayos X para comprender su estructura y confirmando que tenía un par de electrones no enlazantes, como se anticipó. Los resultados fueron publicados en Revista de química de materiales A.
Los hallazgos abren una puerta al desarrollo de una nueva variedad de materiales avanzados de la misma clase que los materiales más duros de la Tierra, además de prometer la creación de nuevos semiconductores y nuevos aislantes, y otros materiales que aprovechen la estructura única de este tipo de material. .
“El Santo Grial es que gradualmente profundizamos nuestra comprensión, y luego idealmente podemos diseñar materiales primero en la computadora, para luego finalmente realizarlos en el laboratorio”, dijo Moewes.
La investigación de Moewes fue financiada por subvenciones del Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá (NSERC), incluido un Premio de Investigación para Estudiantes de Pregrado de NSERC para Somers, y financiamiento del Programa de Cátedra de Investigación de Canadá.
El antimonio está solo
Otro equipo de investigación de la Facultad de Artes y Ciencias de USask está profundizando en el antimonio, otro miembro de la familia de los pnictógenos, para desarrollar una mayor comprensión de la química básica. El antimonio es importante como una toxina ambiental potencial: algunos compuestos de antimonio son más tóxicos que el arsénico y se encuentran en materiales como los plásticos que se usan en las botellas de refrescos.
también puede existir como una sola unidad sin estar encadenado, como ocurre con los otros elementos del Grupo 15: nitrógeno, fósforo y arsénico. Anteriormente se sabía que el óxido de antimonio solo existía en cadenas repetitivas, y no como un monómero, una molécula independiente.
«Esto era algo que no se había observado anteriormente; hasta ahora, el antimonio era un valor atípico entre los pnictógenos», dijo el investigador de ciencias geológicas de USask, el Dr. Graham George (DPhil), presidente de investigación de Canadá en espectroscopia de absorción de rayos X. “La observación es realmente importante para comprender la química de las tendencias grupales”.
La forma de monómero, una sustancia blanca sólida con un tono amarillo, fue creada en un laboratorio de la Universidad de California Santa Cruz por los colaboradores de George, el Dr. Timothy Johnstone (PhD) y el estudiante graduado John Wenger. Desde UC Santa Cruz, la sustancia se envolvió en un recipiente de carbono especialmente diseñado (una trampa para evitar que los monómeros se unan) y se envió al sincrotrón de la Universidad de Stanford para el análisis de absorción de rayos X por parte de George y la estudiante graduada Monica Weng.
Los próximos pasos en la investigación de George implican el uso de diferentes técnicas de sincrotrón para realizar un análisis más profundo de los compuestos basados en antimonio para comprender mejor su estructura electrónica.
La investigación de George fue apoyada por , el programa de la Cátedra de Investigación de Canadá, la Universidad de Saskatchewan (GNG), el programa de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de los Estados Unidos, los Institutos Nacionales de Salud de los Estados Unidos y la Fundación Nacional de Ciencias.
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