Химики нашли способ создавать «невозможные» нанокристаллы для LED, имплантатов и сверхпроводников

Химики Чикагского университета продемонстрировали, как создавать нанокристаллы из нитридов металлов — класса материалов, который ранее считался непригодным для такого синтеза. На изображении выше — снимок кристаллов с электронного микроскопа; они настолько малы, что на ногте помещаются миллиарды таких частиц. Фото: Ruiming Lin

Нанокристаллы стали важной частью современного материаловедения, а квантовые точки помогли вдохновить на получение Нобелевской премии по химии 2023 года. Однако, несмотря на огромный потенциал, исследователям до сих пор удавалось получать эти микроскопические кристаллы лишь из относительно узкого ряда материалов.

Теперь химики из Чикагского университета и Аргоннской национальной лаборатории разработали метод создания нанокристаллов из нитридов металлов — технологически важной группы материалов, которые не поддавались традиционному синтезу нанокристаллов. Исследование, опубликованное в журнале Nature, может расширить возможности электроники и других применений, включая гибкое освещение и медицинские имплантаты.

«Нам удалось показать, как создать серию из почти дюжины материалов, которые нельзя было синтезировать традиционными методами», — рассказал Руимин Линь, аспирант Чикагского университета и первый автор новой работы.

Раскрытие потенциала нанокристаллов из нитридов металлов

Нитриды металлов уже широко используются в технологиях и производстве. Например, нитрид галлия встречается в большей части современного осветительного оборудования — от светодиодных ламп до дисплеев ноутбуков.

Превращение этих материалов в нанокристаллы может значительно расширить сферы их применения. Вместо ограничения в основном жесткими пленками, нанокристаллы нитридов металлов в перспективе можно будет смешивать с полимерами, печатать струйным методом или встраивать в ткани и другие гибкие устройства.

«Это расширяет границы области за пределы прежних фундаментальных ограничений и закладывает основу для использования нитридов в качестве наноматериалов», — отметил Дмитрий Талапин, профессор химии и молекулярной инженерии Чикагского университета, научный сотрудник Аргоннской лаборатории и старший автор статьи.

Почему нанокристаллы так полезны

Нанокристаллы — это чрезвычайно малые кристаллы, миллионы или даже миллиарды которых могут поместиться на ногте. Материалы могут вести себя совершенно иначе в таком масштабе, иногда излучая яркий свет или становясь особенно эффективными катализаторами химических реакций.

В принципе, ученые должны уметь создавать нанокристаллы из огромного разнообразия веществ. Однако на практике многие материалы оказались трудными или невозможными для получения в такой форме.

Линь и другие исследователи из лаборатории Талапина поставили цель преодолеть эти ограничения.

Их внимание привлекли нитриды металлов — соединения, образующиеся при соединении металлов с азотом. Как группа, эти материалы прочны, биосовместимы и устойчивы как к нагреву, так и к коррозии.

Эти качества делают нитриды металлов ценными для таких применений, как бытовая электроника. Но та же стабильность, которая делает их полезными, также делает их чрезвычайно трудными для формирования в нанокристаллы.

Прочные связи создают серьезную проблему

По мере роста кристаллов их ионам необходимо достаточно свободы для перестройки перед тем, как занять конечные позиции. Этот процесс несколько похож на смену партнеров во время кадрили. Однако в нитридах металлов связи настолько прочны, что ионы гораздо менее охотно перестраиваются.

«Если связи не могут разрываться в этом процессе, это смертный приговор для нанокристаллов, — сказал Талапин. — Как только вы создаете неправильную связь, все идет наперекосяк».

По словам исследователей, решение проблемы потребовало двух ключевых достижений.

Во-первых, лаборатория Талапина опиралась на предыдущее открытие, показавшее, что расплавленные соли можно использовать в качестве жидкой среды в процессе, помогая стабилизировать нанокристаллы по мере их формирования.

Затем исследователи продолжили тестировать различные условия, пока не определили «оптимальную точку», включающую температуру и давление аммиака. В этих условиях связи между атомами металла и азота могли легче разрываться и переформировываться, позволяя кристаллической структуре правильно организоваться.

«Этот процесс очень необычен — он противоречит всему здравому смыслу в этой области, — сказал Талапин. — Нам пришлось полностью переосмыслить подход».

Почти дюжина новых нанокристаллических материалов

Метод сработал не только с нитридом галлия. Команда также получила нанокристаллы из нескольких родственных нитридных материалов, включая нитрид титана, используемый в медицинских имплантатах; нитрид ниобия, важный промышленный сверхпроводник; и нитрид молибдена, обычно используемый в качестве катализатора.

Эти материалы одновременно полезны и относительно недороги. Исследователи надеются, что преобразование их в нанокристаллы позволит использовать их в еще более широком спектре технологий.

«Я помню, как впервые посмотрел в электронный микроскоп и увидел эти кристаллы, — вспоминает Линь. — Всегда надеешься, что то, что ты открыл, найдет применение в реальных устройствах. Думаю, применений будет много».

Среди других авторов из Чикагского университета — Нинсинь Цзян, Вудже Чо, Цзыжуй Чжоу, Ди Ван, Джастин Ондри, Цзэхань Ми, Джеймс Кэссиди, Алекс Хинкль, Александр Филатов и Джон С. Андерсон.

Ученые использовали ресурсы Национального научного фонда США, Центра исследований материаловедения и инженерии на базе Чикагского университета, объекта по характеризации мягких материалов Чикагского университета и Центра наноматериалов Аргоннской лаборатории.

Источники:

Материалы предоставлены Чикагским университетом. Оригинал написан Луизой Лернер.

Ruiming Lin, Vikash Khokhar, Ningxin Jiang, Wooje Cho, Zirui Zhou, Di Wang, Justin C. Ondry, Zehan Mi, James Cassidy, Alex M. Hinkle, Alexander S. Filatov, John S. Anderson, Richard D. Schaller, De-en Jiang, Dmitri V. Talapin. Ammonia pressure controls colloidal metal nitride synthesis in molten salts. Nature, 2026; 655 (8125): 1174 DOI: 10.1038/s41586-026-10801-3