Група науковців з Чиказького університету та Аргонської національної лабораторії представила новий метод синтезу нанокристалів із металевих нітридів — матеріалів, які донедавна вважалися майже недоступними для такого типу виробництва. Результати дослідження, опублікованого в журналі Nature, можуть відкрити шлях до появи більш довговічної гнучкої електроніки, медичних імплантів нового покоління та друкованих електронних пристроїв.
Чому це відкриття важливе
Нанокристали вже давно стали одним із найперспективніших напрямів сучасної матеріалознавчої науки. Саме дослідження у цій сфері принесли Нобелівську премію з хімії у 2023 році. Попри величезний потенціал, дослідники досі могли створювати нанокристали лише з обмеженої кількості матеріалів.
Особливо складною задачею залишалося отримання нанокристалів із металевих нітридів — сполук металів із азотом, які широко використовуються в сучасній промисловості.
Перший автор роботи, аспірант Чиказького університету Руімін Лін зазначає, що нова технологія дозволила отримати майже десяток матеріалів, синтез яких традиційними способами був практично неможливим.
Металеві нітриди можуть отримати нове життя
Сьогодні металеві нітриди вже застосовуються в багатьох галузях. Наприклад, нітрид галію є основою сучасних світлодіодів, дисплеїв ноутбуків та іншої електроніки.
Перетворення цих матеріалів на нанокристали відкриває зовсім інші можливості. Якщо зараз вони переважно використовуються у вигляді жорстких покриттів, то надалі їх можна буде:
- інтегрувати в полімерні матеріали;
- використовувати у друкованій електроніці за допомогою струменевого друку;
- вплітати у тканини та інші гнучкі матеріали;
- створювати нові типи освітлення та електронних пристроїв.
За словами професора Дмитра Талапіна, новий підхід значно розширює межі використання нітридів як наноматеріалів.
Чому створити такі нанокристали було настільки складно
Нанокристали — це кристали, зменшені до надзвичайно малих розмірів. На одному нігті можуть поміститися мільярди таких структур. Саме на цьому рівні багато матеріалів отримують абсолютно нові властивості — можуть ефективніше випромінювати світло або значно швидше каталізувати хімічні реакції.
Теоретично майже будь-який матеріал можна перетворити на нанокристал. Однак на практиці металеві нітриди довгий час залишалися винятком.
Проблема полягає в їхній надзвичайно міцній хімічній структурі. Під час росту кристала атоми повинні багаторазово перебудовувати свої зв’язки. У випадку нітридів ці зв’язки настільки сильні, що практично не дозволяють атомам “переміщатися” до правильного положення. Саме через це процес синтезу зазвичай завершувався невдачею.
Рішення знайшли у розплавлених солях
Команда використала нестандартний підхід. Основою технології стали розплавлені солі, які виконували роль спеціального середовища для росту нанокристалів. Після численних експериментів дослідники підібрали оптимальне поєднання температури та тиску аміаку. За таких умов зв’язки між металом і азотом починають тимчасово послаблюватися, що дозволяє атомам перебудовуватися у правильну кристалічну структуру.
Професор Дмитро Талапін наголошує, що цей механізм фактично суперечить усталеним уявленням про синтез подібних матеріалів і змусив учених повністю переосмислити підхід до їх створення.
Які матеріали вже вдалося отримати
За допомогою нового способу вчені синтезували нанокристали не лише нітриду галію, а й низки інших важливих матеріалів, серед яких:
- нітрид титану, що широко використовується в медичних імплантах;
- нітрид ніобію — перспективний надпровідник;
- нітрид молібдену, який активно застосовується як каталізатор у промисловості.
Усі ці матеріали відносно недорогі, а їх переведення у форму нанокристалів може значно розширити сфери застосування.
Перспективи відкриття
На думку авторів роботи, нова технологія здатна суттєво вплинути на розвиток багатьох напрямів сучасної електроніки. Йдеться про створення більш гнучких дисплеїв, носимої електроніки, біосумісних імплантів, нових каталізаторів та навіть елементів майбутніх енергетичних систем.
Руімін Лін зізнається, що момент, коли він уперше побачив нові нанокристали під електронним мікроскопом, став одним із найяскравіших у його науковій кар’єрі. За його словами, кожен дослідник сподівається, що його відкриття знайде практичне застосування, і саме ця розро
Джерело: portaltele.com.ua