Bij 1.500 K en 30 GPa reageren ijzer en bismut met elkaar tot FeBi₂. En wie weet is dat de basis voor een bruikbare supergeleider, schrijven onderzoekers van Northwestern University (VS) in ACS Central Science.

Het is voor het eerst dat een Fe-Bi binding in de literatuur wordt beschreven. Normaal gesproken lukt het niet eens om deze twee metalen in gesmolten vorm met elkaar te mengen: verder dan 0,16 % bismut in ijzer kom je niet.

Vandaar dat Danna Freedman en collega’s een mengsel maakten van uiterst fijn ijzer- en bismutpoeder, in een verhouding 1:2, en dat met een laser smolten terwijl ze het samendrukten tussen twee diamanten. Met röntgendiffractie volgden ze wat er gebeurde.

Zolang de begindruk lager was dan 30 GPa (300.000 bar dus), gebeurde er niets. Maar boven de 30 GPa veranderde het diffractiepatroon zodra de temperatuur boven de 1.500 K uit begon te komen. Enigszins sensatiebelust tekenen de auteurs er bij aan dat die 30 GPa ongeveer de druk is die heerst in het hart van de planeet Mars.

Uit dat patroon is een kristalstructuur af te leiden waarbij elke ijzerkern als het ware in een kooitje hangt, dat bestaat uit acht bismutkernen. Heel typisch is dat in die kooistructuur drie verschillende bindingsafstanden tussen bismut en bismut voorkomen. Het lijkt er op dat de Bi-Bi-interactie het hele kristal stabiliseert, en dat dat effect alleen bij zeer hoge druk groot genoeg is om te compenseren voor de thermodynamica die de componenten uit elkaar probeert te drijven.

Het goede nieuws is dat het misschien wél mogelijk is om FeBi₂, wanneer het eenmaal is gevormd, te ‘bevriezen’ in een metastabiele toestand die ook bij omgevingsdruk niet direct ontleedt. Bij de hier beschreven proeven is geen enkele moeite gedaan om die ontleding tegen te houden, en toch startte ze pas wanneer de druk onder de 2,9 GPa uit kwam.

De onderzoekers zijn nu bezig een grotere pers te bouwen waarmee ze meer FeBi₂ tegelijk kunnen maken, zodat het nieuwe materiaal serieus kan worden onderzocht. Theoretisch zou de combinatie heel aparte magnetische eigenschappen kunnen hebben. In een filmpje legt Freedman uit dat de vervanging van zeldzame-aardmagneten een belangrijke drijfveer voor het onderzoek is.

Ook in de wereld van de supergeleidende materialen schijnt grote vraag te bestaan naar ijzer-bismutmengsels. Als je die eenmaal kunt maken wordt het aantal combinaties van elementen, die je in de praktijk kunt uitproberen, immers een stuk groter.

bron: American Chemical Society