Chimiști de la University of Chicago și Argonne National Laboratory au găsit o metodă prin care pot fi obținute, pentru prima dată, nanocristale din nitruri metalice, o clasă de materiale extrem de rezistente, folosite deja pe scară largă în electronică, dar considerate până acum imposibil de fabricat la scară atât de mică.
Nanocristalele sunt cristale atât de mici încât milioane sau chiar miliarde dintre ele ar putea încăpea pe o unghie, iar la această scară materialele capătă adesea proprietăți neobișnuite, precum emiterea unei lumini foarte pure, motiv pentru care au stat la baza Premiului Nobel pentru Chimie din 2023. Teoretic, nanocristale pot fi obținute din aproape orice material; în practică, chimiștii au reușit până acum să le fabrice doar dintr-o listă relativ restrânsă de substanțe. Echipa condusă de Dmitri Talapin, profesor la UChicago și cercetător la Argonne, și-a propus să extindă această listă la nitrurile metalice, publicând rezultatele în Nature.
De ce nitrurile au rezistat atât de mult
Nitrurile metalice se formează atunci când metalele se combină cu azotul și sunt cunoscute pentru duritate, biocompatibilitate și rezistență la căldură și coroziune, calități care le fac ideale pentru electronica de larg consum. Aceleași proprietăți care le fac utile au reprezentat, însă, exact obstacolul pentru fabricarea lor sub formă de nanocristale. Când un cristal se formează, ionii trebuie să-și schimbe pozițiile de mai multe ori înainte de a se așeza în configurația finală, un proces pe care Talapin l-a comparat cu un dans în care partenerii se schimbă între ei. Legăturile foarte puternice din nitrurile metalice funcționează, în schimb, ca niște parteneri de tango, reticenți la schimbare. „Dacă legăturile nu se pot rupe în timpul acestui proces, e o condamnare la moarte pentru nanocristale”, a explicat Talapin. „Odată ce faci o legătură greșită, totul se duce de râpă.”
Ruiming Lin, doctorand în laboratorul lui Talapin și prim autor al studiului, și colegii săi au construit pe o descoperire anterioară a aceluiași laborator, conform căreia folosirea sărurilor topite ca mediu lichid poate stabiliza formarea nanocristalelor. Prin experimente ulterioare, echipa a găsit o combinație precisă de temperatură și presiune de amoniac care permite legăturilor metal-azot să se rupă și să se reformeze mai ușor. „Acest proces e foarte neobișnuit, contrazice practic tot ce înseamnă bun-simț în domeniu”, a spus Talapin. „A trebuit să regândim complet abordarea.”
Aproape o duzină de materiale, dintr-o singură metodă
Metoda a funcționat nu doar pentru nitrura de galiu, folosită în aproape toate sistemele moderne de iluminat, de la becuri LED la ecranele de laptop, ci și pentru alte nitruri înrudite: nitrura de titan, folosită în implanturi medicale, nitrura de niobiu, un supraconductor important industrial, și nitrura de molibden, un catalizator comun. Fiind, în plus, relativ ieftine de produs, transformarea lor în nanocristale ar putea extinde considerabil domeniile în care pot fi folosite, de la structuri rigide la polimeri, cerneluri imprimabile sau materiale textile integrate cu componente electronice.
„Asta extinde granițele domeniului dincolo de ceea ce păreau constrângeri fundamentale până acum, și pune bazele folosirii nitrurilor ca nanomateriale”, a rezumat Talapin miza cercetării, iar Lin a adăugat: „Speri mereu ca ceva ce ai descoperit să ajungă în aplicații reale. Cred că vor fi multe utilizări.”
Sursă: R. Lin, V. Khokhar, N. Jiang, W. Cho, Z. Zhou, D. Wang, J. C. Ondry, Z. Mi, J. Cassidy, A. M. Hinkle, A. S. Filatov, J. S. Anderson, R. D. Schaller, D. Jiang, D. V. Talapin, „Ammonia pressure controls colloidal metal nitride synthesis in molten salts”, University of Chicago, Argonne National Laboratory, publicat în Nature
Lasă un răspuns