Οι νανοκρύσταλλοι αποτελούν μία από τις σημαντικότερες εξελίξεις της σύγχρονης χημείας, σε βαθμό που η έρευνα γύρω από αυτούς τιμήθηκε με το Νόμπελ Χημείας το 2023. Ωστόσο, μέχρι σήμερα οι επιστήμονες μπορούσαν να δημιουργήσουν νανοκρυστάλλους μόνο από περιορισμένο αριθμό υλικών.
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Σικάγου και το Argonne National Laboratory παρουσίασαν τώρα μια νέα μέθοδο που επιτρέπει την παραγωγή νανοκρυστάλλων από μεταλλικά νιτρίδια – μια κατηγορία υλικών που μέχρι σήμερα θεωρούνταν αδύνατο να μετατραπεί σε αυτή τη μορφή.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature και ανοίγει νέες προοπτικές για την ανάπτυξη ηλεκτρονικών συσκευών, εύκαμπτων φωτιστικών, ιατρικών εμφυτευμάτων και άλλων προηγμένων τεχνολογιών.
Γιατί τα μεταλλικά νιτρίδια είναι τόσο σημαντικά
Τα μεταλλικά νιτρίδια χρησιμοποιούνται ήδη ευρέως στη βιομηχανία. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN), το οποίο βρίσκεται σχεδόν σε κάθε σύγχρονη πηγή φωτισμού LED, αλλά και σε οθόνες φορητών υπολογιστών και άλλες ηλεκτρονικές εφαρμογές.
Η μετατροπή αυτών των υλικών σε νανοκρυστάλλους διευρύνει σημαντικά τις δυνατότητές τους. Αντί να περιορίζονται σε άκαμπτες επιστρώσεις, θα μπορούν στο μέλλον να ενσωματώνονται σε πολυμερή, να εκτυπώνονται με τεχνολογίες inkjet και να χρησιμοποιούνται ακόμη και σε υφάσματα ή εύκαμπτες ηλεκτρονικές συσκευές.
Όπως δήλωσε ο καθηγητής Χημείας και Μοριακής Μηχανικής του Πανεπιστημίου του Σικάγου, Dmitri Talapin, η νέα μέθοδος «διευρύνει τα όρια του πεδίου πέρα από περιορισμούς που μέχρι σήμερα θεωρούνταν θεμελιώδεις και θέτει τις βάσεις για τη χρήση των νιτριδίων ως νανοϋλικών».
Το πρόβλημα των ισχυρών δεσμών
Οι νανοκρύσταλλοι είναι εξαιρετικά μικροί κρύσταλλοι – τόσο μικροί ώστε δισεκατομμύρια από αυτούς θα μπορούσαν να χωρέσουν πάνω σε ένα ανθρώπινο νύχι.
Σε αυτή την κλίμακα τα υλικά αποκτούν μοναδικές ιδιότητες, όπως ισχυρότερη εκπομπή φωτός ή αυξημένη καταλυτική δράση.
Παρότι θεωρητικά μπορούν να δημιουργηθούν από σχεδόν οποιοδήποτε υλικό, στην πράξη αυτό αποδεικνύεται ιδιαίτερα δύσκολο για τα μεταλλικά νιτρίδια.
Ο λόγος είναι ότι τα άτομα μετάλλου και αζώτου σχηματίζουν εξαιρετικά ισχυρούς χημικούς δεσμούς. Κατά τον σχηματισμό ενός νανοκρυστάλλου οι δεσμοί αυτοί πρέπει προσωρινά να «σπάσουν» και να επανασχηματιστούν ώστε τα άτομα να αποκτήσουν τη σωστή διάταξη. Στα μεταλλικά νιτρίδια όμως οι δεσμοί είναι τόσο σταθεροί ώστε αυτή η διαδικασία ήταν μέχρι σήμερα σχεδόν αδύνατη.
«Αν οι δεσμοί δεν μπορούν να σπάσουν κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, τότε αυτό είναι καταστροφικό για τον σχηματισμό νανοκρυστάλλων», εξήγησε ο Talapin.
Η λύση με τα λιωμένα άλατα
Η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε μια νέα προσέγγιση σε δύο στάδια.
Αρχικά χρησιμοποίησε λιωμένα άλατα ως μέσο της χημικής αντίδρασης, αξιοποιώντας προηγούμενη έρευνα που είχε δείξει ότι μπορούν να σταθεροποιήσουν τον σχηματισμό νανοκρυστάλλων.
Στη συνέχεια εντόπισε τον ιδανικό συνδυασμό θερμοκρασίας και πίεσης αμμωνίας, ώστε οι δεσμοί μεταξύ μετάλλου και αζώτου να μπορούν προσωρινά να αποσυνδέονται και να επανασυνδέονται κατά τη διάρκεια της σύνθεσης.
«Η διαδικασία αυτή είναι πολύ ασυνήθιστη – πηγαίνει αντίθετα από όσα θεωρούσαμε δεδομένα στον συγκεκριμένο τομέα. Χρειάστηκε να επανεξετάσουμε πλήρως την προσέγγισή μας», ανέφερε ο Talapin.
Επιτυχία σε πολλά διαφορετικά υλικά
Οι επιστήμονες δεν περιορίστηκαν μόνο στο νιτρίδιο του γαλλίου.
Με την ίδια μέθοδο κατάφεραν να δημιουργήσουν νανοκρυστάλλους και από:
- νιτρίδιο του τιτανίου, που χρησιμοποιείται σε ιατρικά εμφυτεύματα,
- νιτρίδιο του νιοβίου, ένα σημαντικό υπεραγώγιμο υλικό για τη βιομηχανία,
- νιτρίδιο του μολυβδαινίου, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως ως καταλύτης.
Πρόκειται για υλικά που είναι σχετικά οικονομικά και ήδη αξιοποιούνται σε πολλές εφαρμογές, γεγονός που αυξάνει ακόμη περισσότερο τις προοπτικές αξιοποίησης της νέας τεχνολογίας.
Νέες δυνατότητες για την τεχνολογία του μέλλοντος
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι η δυνατότητα παραγωγής νανοκρυστάλλων από μεταλλικά νιτρίδια μπορεί να οδηγήσει σε νέες γενιές εύκαμπτων ηλεκτρονικών, αποδοτικότερων LED, προηγμένων αισθητήρων και βιοϊατρικών εφαρμογών.
Ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, Ruiming Lin, θυμάται τη στιγμή της επιβεβαίωσης της ανακάλυψης:
«Θυμάμαι την πρώτη φορά που κοίταξα στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο και είδα αυτούς τους κρυστάλλους. Πάντα ελπίζεις ότι μια ανακάλυψή σου θα βρει πραγματικές εφαρμογές. Πιστεύω ότι αυτή θα έχει πολλές».