Nanokristallar müasir materialşünaslığın mühüm bir hissəsinə çevrilib və kvant nöqtələri 2023-cü il Kimya üzrə Nobel mükafatına ilham verməyə kömək edib . Lakin böyük potensiallarına baxmayaraq, tədqiqatçılar bu mikroskopik kristalları yalnız nisbətən dar materiallardan istehsal edə biliblər.

İndi Çikaqo Universiteti və Arqon Milli Laboratoriyasındakı kimyaçılar ənənəvi nanokristal sintezinə müqavimət göstərən texnoloji cəhətdən əhəmiyyətli material qrupu olan metal nitridlərindən nanokristallar yaratmaq üçün bir üsul hazırlayıblar. Nature jurnalında dərc olunan bu tədqiqat elektronika və digər tətbiqlər, o cümlədən çevik işıqlandırma və tibbi implantlar üçün imkanları genişləndirə bilər.

“Ənənəvi üsullarla sintez edilə bilməyən təxminən on iki materialdan ibarət bir sıra materialların necə hazırlanacağını göstərə bildik”, – deyə UChicago Universitetinin aspirantı və yeni məqalənin ilk müəllifi Ruiming Lin bildirib.

Metal Nitrid Nanokristallarının Açılması

Metal nitridləri artıq texnologiya və istehsalatda geniş istifadə olunur. Məsələn, qallium nitridi, LED lampalardan tutmuş noutbuk ekranlarına qədər bugünkü işıqlandırma texnologiyalarının çoxunda rast gəlinir.

Bu materialların nanokristallara çevrilməsi onların istifadə üsullarını xeyli genişləndirə bilər. Metal nitrid nanokristalları əsasən sərt filmlərlə məhdudlaşmaq əvəzinə, nəticədə polimerlərə qarışdırıla, inkjet texnikaları ilə çap edilə və ya parçalara və digər elastik cihazlara daxil edilə bilər.

“Bu, sahənin sərhədlərini əvvəllər fundamental məhdudiyyətlərdən kənara çıxarır və nitridlərin nanomateriallar kimi istifadəsinin təməlini qoyur”, – deyə UChicago Universitetinin Kimya və Molekulyar Mühəndislik üzrə Ernest DeWitt Burton Fərqli Xidmət Professoru, Argonne Universitetinin alimi və məqalənin baş müəllifi Dmitri Talapin bildirib.

Nanokristallar Niyə Bu Qədər Faydalıdır

Nanokristallar, dırnağa milyonlarla və hətta milyardlarla nanokristal sığa bilən son dərəcə kiçik kristallardır. Materiallar bu miqyasda çox fərqli davrana bilər, bəzən parlaq işıq yaradır və ya kimyəvi reaksiyaları sürətləndirməkdə xüsusilə təsirli olur.

Prinsipcə, alimlər çox sayda müxtəlif maddədən nanokristallar yarada bilməlidirlər. Lakin praktikada bir çox materialın bu formada hazırlanmasının çətin və ya qeyri-mümkün olduğu sübut edilmişdir.

Lin və Talapinin laboratoriyasındakı digər tədqiqatçılar bu məhdudiyyətləri aşmağa çalışdılar.

Onların diqqəti metalların azotla birləşməsi zamanı əmələ gələn birləşmələr olan metal nitridlərinə yönəldi. Bir qrup olaraq, bu materiallar möhkəm, bioloji uyğunluqlu və həm istiliyə, həm də korroziyaya davamlıdır.

Bu keyfiyyətlər metal nitridlərini istehlakçı elektronikası kimi tətbiqlər üçün dəyərli edir. Lakin onları faydalı edən eyni sabitlik onların nanokristallara çevrilməsini də olduqca çətinləşdirir.

Güclü İstiqrazlar Böyük Çətinliklər Yaradır

Kristallar inkişaf etdikcə, onların ionları son mövqelərinə çatmazdan əvvəl yenidən düzülmək üçün kifayət qədər sərbəstliyə ehtiyac duyurlar. Bu proses bir qədər partnyorların kvadrat rəqs zamanı yerlərini dəyişməsinə bənzəyir. Lakin metal nitridlərində rabitələr o qədər güclüdür ki, ionlar yenidən düzülməyə daha az meyllidirlər.

Talapin dedi: “Əgər bu proses zamanı rabitələr qırıla bilmirsə, bu, nanokristallar üçün ölüm hökmüdür. Səhv rabitə qurduqdan sonra hər şey yolundan çıxır.”

Tədqiqatçıların fikrincə, problemin həlli iki əsas irəliləyiş tələb edirdi.

Əvvəlcə, Talapin laboratoriyası, əridilmiş duzların prosesdə maye mühit kimi istifadə edilə biləcəyini göstərən əvvəlki bir kəşfə əsaslanaraq, nanokristalların əmələ gəlməsi zamanı sabitləşməsinə kömək etdi.

Tədqiqatçılar daha sonra temperatur və ammonyak təzyiqi ilə əlaqəli “şirin nöqtə” müəyyən edənə qədər müxtəlif şərtləri sınaqdan keçirməyə davam etdilər. Bu şərtlər altında metal və azot atomları arasındakı bağlar daha asan parçalana və yenidən formalaşa bilərdi və bu da kristal quruluşunun düzgün şəkildə təşkil olunmasına imkan verirdi.

Talapin dedi: “Bu proses çox qeyri-adidir — bu sahədəki bütün sağlam düşüncəyə ziddir. Biz yanaşmanı tamamilə yenidən nəzərdən keçirməli olduq.”

Təxminən bir çox yeni nanokristal materialı

Metod yalnız qallium nitridi ilə işləmirdi. Komanda həmçinin tibbi implantlarda istifadə olunan titan nitridi, mühüm sənaye ifratkeçirici olan niobium nitridi və katalizator kimi istifadə olunan molibden nitridi də daxil olmaqla bir neçə əlaqəli nitrid materialından nanokristallar istehsal etdi.

Bu materiallar həm faydalı, həm də nisbətən ucuzdur. Tədqiqatçılar ümid edirlər ki, onları nanokristallara çevirməklə daha geniş texnologiyalarda istifadə etmək mümkün olacaq.

“Elektron mikroskopuna baxıb o kristalları ilk dəfə gördüyümü xatırlayıram”, Lin dedi. “Kəşf etdiyiniz bir şeyin tətbiqlərdə özünü göstərəcəyinə həmişə ümid edirsiniz. Düşünürəm ki, bir çox istifadə olacaq.”

UChicago-dan olan digər müəlliflər arasında Ningxin Jiang, Wooje Cho, Zirui Zhou, Di Wang, Justin Ondry, Zehan Mi, James Cassidy, Alex Hinckle, Alexander Filatov və John S. Anderson da var idi.

Alimlər Çikaqoda yerləşən Milli Elm Fondu Material Tədqiqatları Elmi və Mühəndislik Mərkəzindəki, Çikaqo Yumşaq Maddə Xarakterizasiyası Müəssisəsindəki və Argonne Nanomiqyaslı Materiallar Mərkəzindəki resurslardan istifadə ediblər.

Maliyyələşdirmə: ABŞ Energetika Nazirliyi, Samsung QD Klaster Əməkdaşlığı, Milli Elm Fondu, Hərbi Hava Qüvvələri Elmi Tədqiqatlar İdarəsi.