Τα βασικά σημεία του άρθρου
- Η νανοτεχνολογία βρίσκεται στα πρόθυρα μιας νέας επανάστασης, καθώς χημικοί από το Πανεπιστήμιο του Σικάγου έδειξαν πώς να δημιουργούνται νανοκρύσταλλοι από νιτρίδια μετάλλων, κάτι που μέχρι πρότινος θεωρούνταν αδύνατο.
- Η πρωτοποριακή μέθοδος, που αναπτύχθηκε από ερευνητές του Πανεπιστημίου του Σικάγου και του Εθνικού Εργαστηρίου Άργκον, βασίζεται στη χρήση τηγμένου άλατος για την παραγωγή νανοκρυστάλλων.
- Τα νέα ευρήματα ανοίγουν τον δρόμο για μια γενιά τεχνολογικών εφαρμογών, όπως εύκαμπτος φωτισμός, εκτυπώσιμα ηλεκτρονικά και ιατρικά εμφυτεύματα.
Η νανοτεχνολογία βρίσκεται στα πρόθυρα μιας νέας επανάστασης, χάρη σε ένα επιστημονικό επίτευγμα που μέχρι πρότινος θεωρούνταν αδύνατο.
Μια πρωτοποριακή μέθοδος υπόσχεται να ξεκλειδώσει τις κρυφές δυνατότητες υλικών που χρησιμοποιούμε καθημερινά, αλλάζοντας ριζικά το μέλλον των ηλεκτρονικών συσκευών.
Τα νέα ευρήματα ανοίγουν τον δρόμο για μια γενιά τεχνολογικών εφαρμογών που κάποτε ανήκαν στη σφαίρα της επιστημονικής φαντασίας.
Μια μέθοδος με χρήση τηγμένου άλατος, η οποία αναπτύχθηκε από ερευνητές του Πανεπιστημίου του Σικάγου (UChicago) και του Εθνικού Εργαστηρίου Άργκον (Argonne), θα μπορούσε να επιτρέψει τη δημιουργία πιο ανθεκτικών υλικών για εκτυπώσιμα ηλεκτρονικά και εύκαμπτες συσκευές.
Οι νανοκρύσταλλοι έχουν αποκτήσει τόσο μεγάλη αξία για την επιστήμη και την τεχνολογία, ώστε η έρευνα γύρω από αυτούς τιμήθηκε με το Βραβείο Νόμπελ Χημείας το 2023. Ωστόσο, παρά τις δυνατότητές τους, οι ερευνητές είχαν καταφέρει μέχρι πρότινος να παράγουν αυτούς τους μικροσκοπικούς κρυστάλλους μόνο από μια σχετικά περιορισμένη γκάμα υλικών.
Χημικοί από το Πανεπιστήμιο του Σικάγου και το Εθνικό Εργαστήριο Άργκον ανέπτυξαν τώρα μια μέθοδο για την παραγωγή νανοκρυστάλλων από νιτρίδια μετάλλων, μια τεχνολογικά σημαντική κατηγορία υλικών που ανθίστατο στη συμβατική σύνθεση.
Η εργασία αυτή, η οποία δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature, θα μπορούσε να δημιουργήσει νέες ευκαιρίες για εύκαμπτο φωτισμό, εκτυπώσιμα ηλεκτρονικά, ιατρικά εμφυτεύματα και άλλες συσκευές.
«Καταφέραμε να δείξουμε πώς να φτιάξουμε μια σειρά από σχεδόν δώδεκα υλικά που δεν μπορούσαν να συντεθούν με τις παραδοσιακές μεθόδους», δήλωσε ο Ruiming Lin, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Σικάγου και πρώτος συγγραφέας της νέας επιστημονικής δημοσίευσης.
Οι νανοκρύσταλλοι θα μπορούσαν να κάνουν τα νιτρίδια εύκαμπτα
Τα νιτρίδια μετάλλων παίζουν ήδη σημαντικό ρόλο στη σύγχρονη τεχνολογία και τη μεταποίηση.
Το νιτρίδιο του γαλλίου, για παράδειγμα, χρησιμοποιείται ευρέως στα σύγχρονα συστήματα φωτισμού, συμπεριλαμβανομένων των λαμπτήρων LED και των οθονών φορητών υπολογιστών.
Η παραγωγή αυτών των υλικών σε μορφή νανοκρυστάλλων θα μπορούσε να διευρύνει σημαντικά τους τρόπους χρήσης τους.
Αντί να περιορίζονται κυρίως σε δύσκαμπτα φιλμ, οι νανοκρύσταλλοι νιτριδίων μετάλλων θα μπορούσαν τελικά να αναμειχθούν σε πολυμερή, να εναποτεθούν με εκτυπωτές ψεκασμού μελάνης (inkjet) ή να ενσωματωθούν σε υφάσματα και άλλα εύκαμπτα προϊόντα.
«Αυτό επεκτείνει τα όρια του πεδίου πέρα από τους προηγούμενους θεμελιώδεις περιορισμούς και θέτει τις βάσεις για τη χρήση των νιτριδίων ως νανοϋλικά», δήλωσε ο Dmitri Talapin, διακεκριμένος καθηγητής Χημείας και Μοριακής Μηχανικής (έδρα Ernest DeWitt Burton) στο Πανεπιστήμιο του Σικάγου, επιστήμονας στο Άργκον και κύριος συγγραφέας της δημοσίευσης.
Οι νανοκρύσταλλοι είναι κρύσταλλοι σε εξαιρετικά μικρή κλίμακα, σε βαθμό που εκατομμύρια ή και δισεκατομμύρια από αυτούς μπορούν να χωρέσουν στην επιφάνεια ενός νυχιού.
Τα υλικά σε αυτό το μέγεθος μπορούν να εμφανίσουν ιδιότητες που διαφέρουν από εκείνες των μεγαλύτερων δομών, όπως η παραγωγή έντονου φωτός ή η επιτάχυνση χημικών αντιδράσεων.
Θεωρητικά, οι ερευνητές θα έπρεπε να είναι σε θέση να δημιουργήσουν νανοκρυστάλλους από σχεδόν οποιαδήποτε ουσία. Στην πράξη, όμως, πολλά χρήσιμα υλικά παρέμεναν απρόσιτα.
Ο Λιν και άλλα μέλη του εργαστηρίου του Ταλάπιν ξεκίνησαν να ξεπεράσουν αυτόν τον περιορισμό.
Οι ισχυροί δεσμοί εμποδίζουν τον σχηματισμό κρυστάλλων
Οι ερευνητές επικεντρώθηκαν στα νιτρίδια μετάλλων, χημικές ενώσεις που σχηματίζονται από μέταλλα και άζωτο. Τα υλικά αυτά, είναι γενικά ανθεκτικά, συμβατά με τον βιολογικό ιστό και παρουσιάζουν αντοχή τόσο στη θερμότητα όσο και στη διάβρωση.
Αυτές οι ιδιότητες καθιστούν τα νιτρίδια μετάλλων πολύτιμα για εφαρμογές όπως τα ηλεκτρονικά.
Ωστόσο, η ίδια χημική σταθερότητα που τα καθιστά χρήσιμα, τα κάνει επίσης εξαιρετικά δύσκολο να διαμορφωθούν σε νανοκρυστάλλους.
Καθώς ένας κρύσταλλος αναπτύσσεται, τα ιόντα του πρέπει να αναδιατάσσονται συνεχώς προτού σταθεροποιηθούν στη σωστή δομή, όπως περίπου οι παρτενέρ αλλάζουν θέσεις κατά τη διάρκεια ενός ομαδικού χορού.
Στα νιτρίδια μετάλλων, οι δεσμοί είναι τόσο ισχυροί που τα ιόντα συμπεριφέρονται περισσότερο σαν σφιχτά δεμένοι χορευτές τάνγκο που αρνούνται να αλλάξουν σύντροφο.
«Αν οι δεσμοί δεν μπορούν να σπάσουν κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, αυτό αποτελεί θανατική καταδίκη για τους νανοκρυστάλλους», δήλωσε ο Ταλάπιν.
«Από τη στιγμή που θα δημιουργηθεί ένας λανθασμένος δεσμός, όλα καταστρέφονται».
Τα τηγμένα άλατα χαλαρώνουν τους πεισματικούς δεσμούς
Η επίλυση του προβλήματος απαιτούσε δύο καινοτομίες.
Το εργαστήριο του Ταλάπιν βασίστηκε αρχικά σε ένα παλαιότερο εύρημα, σύμφωνα με το οποίο τα τηγμένα άλατα θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως το υγρό μέσο που απαιτείται για τη σταθεροποίηση των νανοκρυστάλλων κατά τον σχηματισμό τους.
Στη συνέχεια, περαιτέρω πειράματα προσδιόρισαν έναν συγκεκριμένο συνδυασμό θερμοκρασίας και πίεσης αμμωνίας, ο οποίος επέτρεψε στους ισχυρούς δεσμούς μεταξύ των ατόμων μετάλλου και αζώτου να σπάνε και να αναδιαμορφώνονται πιο εύκολα.
«Αυτή η διαδικασία είναι πολύ ασυνήθιστη — έρχεται σε αντίθεση με κάθε κοινή λογική στον συγκεκριμένο τομέα», δήλωσε ο Ταλάπιν.
«Έπρεπε να επανεξετάσουμε ολοκληρωτικά την προσέγγισή μας».
Σχεδόν δώδεκα νιτρίδια γίνονται πλέον προσβάσιμα
Αξιοποιώντας αυτή τη μέθοδο, οι ερευνητές παρήγαγαν νανοκρυστάλλους από νιτρίδιο του γαλλίου και από σχεδόν δώδεκα άλλα παρόμοια υλικά.
Σε αυτά περιλαμβάνονταν το νιτρίδιο του τιτανίου, το οποίο χρησιμοποιείται σε ιατρικά εμφυτεύματα, το νιτρίδιο του νιοβίου, ένας σημαντικός βιομηχανικός υπεραγωγός, και το νιτρίδιο του μολυβδαινίου, ένας ευρέως χρησιμοποιούμενος καταλύτης.
Επειδή αυτά τα υλικά είναι τόσο χρήσιμα όσο και συγκριτικά οικονομικά, η μετατροπή τους σε νανοκρυστάλλους θα μπορούσε να τα καταστήσει κατάλληλα για ένα πολύ ευρύτερο φάσμα τεχνολογιών.
«Θυμάμαι την πρώτη φορά που κοίταξα μέσα από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο και είδα αυτούς τους κρυστάλλους», δήλωσε ο Λιν.
«Πάντα ελπίζεις ότι κάτι που ανακάλυψες θα καταλήξει σε πρακτικές εφαρμογές. Πιστεύω ότι θα υπάρξουν πολλές χρήσεις».