Fizyk z Politechniki Gdańskiej współodkrywcą nowej rodziny związków chemicznych

Fizyk dr hab. Tomasz Klimczuk z Wydziału Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej PG jest współodkrywcą nowej rodziny związków chemicznych wywodzących się ze skutterudytów.  W czasopiśmie "Nature Communications" ukazał się właśnie artykuł na ten temat.

 Skutterudyty to minerały na bazie arsenu. To również nazwa ogromnej rodziny związków chemicznych o wzorze BX₃ lub AB₄ X₁₂, w którym A to metal alkaliczny lub ziem alkalicznych, B – żelazowiec (żelazo, ruten, osm) i X to antymon, arsen lub fosfor. W zależności od tego, które metale z grup A i B łączą się z antymonem, mają one różne właściwości fizyczne: mogą być np. nadprzedwodnikami lub termoelektrykami – czyli generować napięcie elektryczne w wyniku istnienia różnicy temperatur na przeciwnych końcach urządzenia.

Podczas jednego z pobytów dr hab. Tomasza Klimczuka w Princeton University, w laboratorium uznanego odkrywcy nadprzewodników prof. Roberta J. Cavy (jubileuszowego doktora honoris causa PG), narodził się pomysł, by żelazowiec zamienić pierwiastkiem z sąsiedniej kolumny – kobaltem.

– Propozycja padła ze strony bardzo dobrego i młodego teoretyka, i miała sens, ponieważ przypuszczał, że w ten sposób zmieniłyby się właściwości fizyczne. Oczywiście na początku nie udało się tego zrobić, struktura nie była stabilna – mówi dr hab. Tomasz Klimczuk. – Jeśli zamiast żelaza wstawimy kobalt dodajemy jeden elektron do związku: kobalt ma o jeden elektron więcej, niż żelazo. Ponieważ w skutterudytach występują cztery atomy żelaza, podstawienie kobaltu oznacza o cztery elektrony więcej. Nie można ich dodać „bezkarnie”. Wobec tego, co zrobić, by utrzymać taką samą liczbę elektronów jaka była początku, w znanej strukturze z udziałem żelaza?

Naukowcy postanowili zabrać „nadwyżkę” elektronów z antymonu i zamiast 12 atomów tego pierwiastka dać tylko osiem, a pozostałe cztery atomy zamienić atomami cyny, która ma o jeden elektron mniej niż antymon – w ten sposób udało się znieść nadliczbowe elektrony i ustabilizować strukturę.

– Dotąd nikt nie podejmował takich prób, a prof. Cava lubi powierzać mi ryzykowne testy, ponieważ się nie załamuję, mimo 99 proc. niepowodzeń takich eksperymentów. Spróbowałem. I wyszło – opowiada fizyk z Politechniki Gdańskiej. –Zrobiłem pierwszy, drugi, trzeci związek, przy dziesiątym musiałem wrócić do Polski.

Zespół Cava Lab kontynuował badania. W publikacji w "Nature Communications" pt. „A large family of filled skutterudites stabilized by electron count” opisane zostały 43 nowe związki chemiczne. Liczba materiałów, które można na tej samej zasadzie stworzyć sięga kilkuset. Jak to możliwe? Biorąc lit, antymon zmieszany z cyną i kobalt otrzymamy taką samą liczbę elektronów gdy zamiast kobaltu użyjemy rod lub iryd. Zamiast litu możemy wykorzystać sód, potas, wapń, stront, bar, i jeszcze 14 pierwiastków lantanowców. I wreszcie – zamiast antymonu możemy do syntezy użyć arsen lub fosfor, ale wówczas w miejsce cyny należy zastosować german. Stąd liczba wszystkich kombinacji daje kilkaset możliwych nowych skutterudytów.

To właśnie olbrzymi potencjał opisanej przez badaczy grupy związków zadecydował o przyjęciu artykułu do publikacji przez tak znakomity tytuł. Naukowcy przebadali część związków pod względem właściwości fizycznych, szukając nadprzewodnictwa.

– Nie znaleźliśmy go, ale kropka nie jest jeszcze postawiona. Poszukiwania będą kontynuowane – podkreśla dr hab. Tomasz Klimczuk. – Otwierając drzwi do tak dużego „pokoju” można znaleźć wszystko. Na pewno warto wytwarzać i badać kolejne związki.