Учёные создали нанокристаллы из металлических нитридов — материалов, которые раньше не поддавались синтезу

Нанокристаллы уже давно стали важной частью материаловедения — квантовые точки даже вдохновили Нобелевскую премию по химии 2023 года. Однако несмотря на огромный потенциал, исследователи могли производить эти микроскопические кристаллы только из ограниченного набора материалов.

Почему металлические нитриды так сложно было превратить в нанокристаллы

Металлические нитриды — соединения металлов с азотом — уже широко используются в технологиях и производстве. Например, нитрид галлия встречается в современных светодиодных лампах и дисплеях ноутбуков. Эти материалы обладают ценными свойствами: они прочные, биосовместимые, устойчивы к высоким температурам и коррозии.

Но именно эта стабильность, которая делает их полезными, создавала проблему. При формировании кристаллов ионы должны иметь достаточную свободу для перестройки перед тем, как занять окончательные позиции — процесс, похожий на смену мест в квадрильном танце. В металлических нитридах связи настолько прочные, что ионы почти не хотят перестраиваться. Если связи не разрываются во время этого процесса, нанокристаллы не образуются.

Два ключевых открытия, решившие задачу

Решение потребовало двух важных достижений. Во-первых, лаборатория Дмитрия Талапина использовала предыдущее открытие о том, что расплавленные соли могут служить жидкой средой в процессе синтеза, помогая стабилизировать нанокристаллы по мере их формирования.

Во-вторых, исследователи тестировали различные условия, пока не нашли оптимальное сочетание температуры и давления аммиака. При этих условиях связи между атомами металла и азота могли разрываться и восстанавливаться более легко, позволяя кристаллической структуре правильно организоваться. По словам Талапина, этот процесс противоречит всему, что принято в области: «Нам пришлось полностью переосмыслить подход».

Какие материалы удалось синтезировать

Метод сработал не только с нитридом галлия. Команда также произвела нанокристаллы из нескольких связанных нитридных материалов: нитрида титана, используемого в медицинских имплантатах; нитрида ниобия, важного промышленного сверхпроводника; и нитрида молибдена, обычно применяемого как катализатор. По данным исследования, удалось синтезировать серию из почти дюжины материалов, которые не поддавались традиционным методам.

Перспективы применения

Превращение этих материалов в нанокристаллы могло бы значительно расширить способы их использования. Вместо ограничения жёсткими плёнками нанокристаллы металлических нитридов можно было бы смешивать с полимерами, печатать струйными методами или встраивать в ткани и другие гибкие устройства. Это открывает дорогу к гибкому освещению, печатным устройствам и другим приложениям.

Руiming Lin, аспирант Чикагского университета и первый автор статьи, отметил: «Мы смогли показать, как создавать серию материалов, которые не могли быть синтезированы традиционными методами». Талапин добавил, что это «расширяет границы области за пределы того, что раньше считалось фундаментальными ограничениями, и закладывает основу для использования нитридов как наноматериалов».

Финансирование и авторы

Исследование финансировалось Министерством энергетики США, Samsung QD Cluster Collaboration, Национальным научным фондом и Управлением научных исследований ВВС США. Кроме Линя и Талапина, в работе участвовали Ningxin Jiang, Wooje Cho, Zirui Zhou, Di Wang, Justin Ondry, Zehan Mi, James Cassidy, Alex Hinckle, Alexander Filatov и John S. Anderson из Чикагского университета.