Химики из Чикагского университета показали, как получать нанокристаллы из полезного класса материалов, известных как нитриды металлов - задача, ранее невыполнимая. Кристаллы настолько малы, что миллиарды из них поместились бы на вашем ногте.
Нанокристаллы стали важной частью современной материаловедения, а квантовые точки послужили источником вдохновения для присуждения Нобелевской премии по химии в 2023 году . Однако, несмотря на их огромный потенциал, исследователям до сих пор удавалось получать эти микроскопические кристаллы лишь из относительно узкого круга материалов.
Теперь химики из Чикагского университета и Аргоннской национальной лаборатории разработали метод создания нанокристаллов из нитридов металлов - технологически важной группы материалов, синтез которых традиционными методами был затруднен. Исследование, опубликованное в журнале Nature, может расширить возможности применения в электронике и других областях, включая гибкое освещение и медицинские имплантаты.
«Нам удалось показать, как получить серию из почти десятка материалов, которые невозможно синтезировать традиционными методами», - сказал Руймин Лин, аспирант Чикагского университета и первый автор новой статьи.
Раскрытие тайны нанокристаллов нитрида металла
Нитриды металлов уже широко используются в технологиях и производстве. Например, нитрид галлия входит в состав многих современных осветительных приборов, от светодиодных ламп до дисплеев ноутбуков.
Превращение этих материалов в нанокристаллы может значительно расширить возможности их применения. Вместо того чтобы ограничиваться в основном жесткими пленками, нанокристаллы нитридов металлов в конечном итоге можно будет смешивать с полимерами, печатать струйными принтерами или включать в ткани и другие гибкие устройства.
«Это расширяет границы данной области за пределы ранее существовавших фундаментальных ограничений и закладывает основу для использования нитридов в качестве наноматериалов», - сказал Дмитрий Талапин, заслуженный профессор химии и молекулярной инженерии имени Эрнеста ДеВитта Бертона в Чикагском университете, ученый из Аргоннской национальной лаборатории и старший автор статьи.
Почему нанокристаллы так полезны
Нанокристаллы - это чрезвычайно мелкие кристаллы, миллионы или даже миллиарды которых могут поместиться на ногте. В таком масштабе материалы могут вести себя совершенно по-разному, иногда излучая яркий свет или становясь особенно эффективными в ускорении химических реакций.
В принципе, ученые должны быть в состоянии создавать нанокристаллы из огромного разнообразия веществ. Однако на практике многие материалы оказалось трудно или невозможно получить в таком виде.
Лин и другие исследователи в лаборатории Талапина поставили перед собой цель преодолеть эти ограничения.
Их внимание переключилось на нитриды металлов - соединения, образующиеся при соединении металлов с азотом. В целом, эти материалы прочны, биосовместимы и устойчивы как к высоким температурам, так и к коррозии.
Эти свойства делают нитриды металлов ценными для таких применений, как бытовая электроника. Но та же стабильность, которая делает их полезными, также делает их чрезвычайно сложными для формирования нанокристаллов.
Крепкие связи создают серьезные проблемы.
По мере образования кристаллов ионам необходимо достаточно свободы для перегруппировки, прежде чем они займут свои окончательные позиции. Этот процесс чем-то похож на обмен местами между партнерами во время народного танца. Однако в нитридах металлов связи настолько прочны, что ионы гораздо менее склонны к перегруппировке.
«Если связи не могут разорваться в процессе синтеза, это смертный приговор для нанокристаллов», - сказал Талапин. «Как только вы создадите неправильную связь, все пойдет наперекосяк».
По мнению исследователей, для решения этой проблемы потребовались два ключевых достижения.
Во-первых, лаборатория Талапина развила предыдущее открытие, показавшее, что расплавленные соли можно использовать в качестве жидкой среды в этом процессе, что способствует стабилизации нанокристаллов в процессе их образования.
Затем исследователи продолжили тестирование различных условий, пока не определили «оптимальный вариант», сочетающий температуру и давление аммиака. В этих условиях связи между атомами металла и азота могли легче разрываться и восстанавливаться, что позволяло кристаллической структуре правильно формироваться.
«Этот процесс очень необычен - он противоречит всем здравому смыслу в этой области, - сказал Талапин. - Нам пришлось полностью переосмыслить подход».
Около десятка новых нанокристаллических материалов
Этот метод сработал не только с нитридом галлия. Команда также получила нанокристаллы из нескольких родственных нитридных материалов, включая нитрид титана, используемый в медицинских имплантатах; нитрид ниобия, важный промышленный сверхпроводник; и нитрид молибдена, который обычно используется в качестве катализатора.
Эти материалы одновременно полезны и относительно недороги. Исследователи надеются, что преобразование их в нанокристаллы позволит использовать их в еще более широком спектре технологий.
