Te mogą być naprawdę szerokie, ponieważ mówi się o postępach dotyczących nowej generacji elastycznej elektroniki, wydajniejszych katalizatorów, nowoczesnych implantów medycznych czy bardziej trwałych urządzeń optoelektronicznych. Same nanokryształy od lat należą do najbardziej obiecujących materiałów współczesnej chemii i inżynierii materiałowej. Ich znaczenie najlepiej pokazuje fakt, że badania nad nimi zostały uhonorowane nagrodą Nobla w dziedzinie chemii w 2023 roku.
Czytaj też: Chemicy śledzą reakcję atom po atomie. Ich metoda otwiera nowy rozdział w chemii
W skali zaledwie kilku lub kilkudziesięciu nanometrów materiały często wykazują właściwości, których nie posiadają w swojej makroskopowej postaci. Mogą skuteczniej przewodzić prąd, emitować światło o nowych parametrach czy znacznie efektywniej katalizować reakcje chemiczne. Problem polegał jednak na tym, że wiele niezwykle cennych materiałów pozostawało poza zasięgiem dotychczasowych metod syntezy nanokryształów.
Jedną z takich grup były azotki metali. Związki te odgrywają istotną rolę we współczesnym przemyśle. Azotek galu stanowi podstawę produkcji diod LED, laserów i nowoczesnych wyświetlaczy. Z kolei azotek tytanu jest szeroko wykorzystywany jako wyjątkowo trwała powłoka ochronna oraz materiał stosowany w implantach medycznych. Jeśli zaś chodzi o azotek niobu, to ten znajduje zastosowanie w technologiach nadprzewodnikowych. Mimo ogromnego potencjału ich przekształcenie w nanokryształy pozostawało praktycznie niewykonalne.
Przyczyną były wyjątkowo silne wiązania chemiczne pomiędzy atomami metalu i azotu. Podczas wzrostu kryształu atomy muszą wielokrotnie zmieniać swoje położenie, zanim ułożą się w stabilną strukturę. W przypadku azotków metali wiązania są jednak tak trwałe, że nawet niewielkie błędy w początkowej fazie wzrostu uniemożliwiają prawidłowe uformowanie nanokryształu. Jak podkreślają autorzy badań, właśnie ta właściwość przez lata stanowiła fundamentalną przeszkodę dla całej dziedziny.
Przełom przyniosło zastosowanie stopionych soli jako środowiska reakcji. Badacze odkryli, że odpowiednio dobrana mieszanina soli, połączona z precyzyjnie kontrolowaną temperaturą i ciśnieniem amoniaku, pozwala czasowo osłabić wyjątkowo mocne wiązania chemiczne. Dzięki temu atomy mogą swobodniej zmieniać swoje położenie i stopniowo budować stabilny nanokryształ. Według autorów rozwiązanie jest na tyle nietypowe, że przeczyło wielu wcześniejszym założeniom obowiązującym w chemii materiałowej.
Czytaj też: Naukowcy zamrozili światłowód i osiągnęli przełom. Oddziaływanie światła i dźwięku wzrosło jak szalone
Nowa metoda umożliwiła otrzymanie nanokryształów z niemal tuzina różnych azotków metali, które wcześniej pozostawały poza zasięgiem naukowców. To oznacza znaczące poszerzenie katalogu materiałów dostępnych dla nanotechnologii. Możliwość kontrolowanego wytwarzania takich struktur może doprowadzić do opracowania zupełnie nowych klas materiałów funkcjonalnych.
Najbardziej obiecujące wydają się zastosowania w elektronice. Obecnie wiele materiałów półprzewodnikowych występuje głównie w postaci sztywnych cienkich warstw. Nanokryształy mogłyby być natomiast mieszane z polimerami, wykorzystywane jako składnik specjalnych atramentów do drukowania układów elektronicznych lub integrowane z elastycznymi tkaninami. Zapewnia to perspektywy rozwoju giętkich ekranów, inteligentnej odzieży, elastycznych czujników czy lekkiej elektroniki noszonej bezpośrednio na ciele.
Źródło: Nature
