Новая работа специалистов Чикагского университета и Национальной лаборатории Аргонна значительно расширяет этот список — им впервые удалось синтезировать нанокристаллы из металлических нитридов, класса материалов, который долгое время не поддавался классическим подходам.
Металлические нитриды — это соединения металлов с азотом. Они прочные, устойчивые к нагреву и коррозии, часто биосовместимые. Например, нитрид галлия — основа современной светодиодной техники, от ламп до экранов ноутбуков. Однако исключительная стабильность таких материалов превращается в проблему. Дело в том, что при формировании нанокристаллов ионы в кристалле должны свободно перестраиваться, пока структура не соберется правильно. В нитридах связи настолько прочны, что атомы буквально «не хотят» менять партнеров.
«Если связь нельзя разорвать в процессе, это становится проблемой для нанокристалла: сделаешь неправильную связь — и все идет наперекосяк», — объясняет руководитель работы, профессор химии и молекулярной инженерии Чикагского университета Дмитрий Талапин.
Команда нашла выход, по сути перечеркнув общепринятые подходы. Во‑первых, ученые опирались на более ранний результат своей же лаборатории, показавший, что вместо привычных органических растворителей можно использовать расплавленные соли: в них зарождающиеся нанокристаллы оказываются более устойчивыми. Во‑вторых, авторы работы долго подбирали сочетание температуры и давления аммиака, пока не нашли «золотую середину», при которой связи металл-азот в нитридах способны достаточно легко рваться и восстанавливаться. Это дает ионам необходимую подвижность и позволяет кристаллической решетке правильно самоорганизоваться.
Такой подход сработал не только для нитрида галлия. Команде удалось получить нанокристаллы почти десятка нитридов, среди которых нитрид титана (он широко используется в медицинских имплантах), нитрид ниобия (важный промышленный сверхпроводник), нитрид молибдена (каталитический материал) и другие. «Мы смогли показать, как синтезировать серию почти из дюжины материалов, которые раньше нельзя было получить традиционными методами», — говорит первый автор статьи Жуймин Лин.
Зачем все это нужно? В наномасштабах у материалов часто радикально меняются их свойства: они начинают ярко светиться, лучше проводить ток или в них ускоряются химические реакции. До сих пор нитриды в основном использовали в виде жестких пленок и покрытий. В форме нанокристаллов их можно будет внедрять в полимеры, наносить струйной печатью, встраивать в гибкую электронику и ткани, использовать в биосовместимых датчиках и имплантах.
«Это расширяет границы области за пределы прежних фундаментальных ограничений и создает основу для использования нитридов как наноматериалов», — подчеркивает Талапин.
Ранее физики обнаружили, что крошечные морщины в графене способны значительно изменять электрические свойства материала.