عصر کرد - ایرنا / پژوهشگران با استفاده از نمک مذاب، روشی برای ساخت نانوکریستالهای نیترید فلزی ابداع کردهاند که پیش از این با روشهای معمول قابل تولید نبودند. این کشف میتواند راه را برای تولید نمایشگرهای منعطف، ادوات الکترونیکی چاپی و ایمپلنتهای پزشکی هموار کند.
شیمیدانان دانشگاه شیکاگو و آزمایشگاه ملی آرگون موفق به ابداع روشی برای تولید نانوکریستالهای نیترید فلزی شدهاند؛ پیش از این، ساخت این دسته از مواد با روشهای متداول ممکن نبود. این دستاورد که در مجله معتبر نیچِر/ Nature منتشر شده، میتواند تحولی در تولید ادوات منعطف، نمایشگرهای اِلایدی، ایمپلنتهای پزشکی و سایر فناوریهای پیشرفته ایجاد کند.
نانوکریستالها، کریستالهایی هستند که به مقیاس فوقالعاده کوچک کاهش یافتهاند؛ بهطوری که میلیونها یا حتی میلیاردها از آنها روی یک ناخن جای میگیرند. مواد در این اندازه میتوانند خواصی متفاوت از ساختارهای بزرگتر از خود نشان دهند، از جمله تولید نور شدید یا تسریع واکنشهای شیمیایی.
نیتریدهای فلزی؛ مواد ارزشمند اما غیرقابلساخت
نیتریدهای فلزی، ترکیباتی هستند که از فلز و نیتروژن تشکیل میشوند. این مواد بهطور کلی بادوام، سازگار با بافتهای زیستی و مقاوم در برابر گرما و خوردگی هستند. همین ویژگیها آنها را برای کاربردهایی مانند الکترونیک، ایمپلنتهای پزشکی و مواد شتابدهنده واکنشهای شیمیایی (کاتالیزور) ارزشمند کرده است.
گالیوم نیترید (Gallium Nitride) یکی از معروفترین این ترکیبات است که در سامانههای روشنایی امروزی، از جمله لامپهای اِلایدی و نمایشگرهای لپتاپ استفاده میشود؛ اما تا پیش از این، تولید این مواد بهصورت نانوکریستال امکانپذیر نبود و دانشمندان فقط میتوانستند آنها را بهصورت لایههای نازک و سخت تولید کنند.
چالش؛ پیوندهای محکمی که اجازه شکلگیری نمیدهند
دلیل این محدودیت در پیوندهای شیمیایی بسیار محکم میان فلز و نیتروژن نهفته است. برای ساخت یک کریستال، اتمها باید مرتباً جای خود را عوض کنند و دوباره کنار هم بچینند تا به شکل نهایی و منظم برسند؛ مثل قطعات یک پازل که باید چندین بار جابهجا شوند تا در جای درست قرار بگیرند. اما در نیتریدهای فلزی، پیوندها آنقدر محکم هستند که اتمها مانند قطعاتی عمل میکنند که به هم چسبیدهاند و بهسختی از یکدیگر جدا میشوند؛ در نتیجه، هرگونه جابهجایی و بازآرایی تقریباً غیرممکن میشود.
نمای میکروسکوپ الکترونی از نانوکریستالهای نیترید فلزی ساختهشده به روش جدید؛ این کریستالها آنقدر کوچک هستند که میلیاردها عدد از آنها روی یک ناخن جای میگیرند.
دیمیتری تالاپین (Dmitri Talapin)، استاد شیمی و مهندسی مولکولی در دانشگاه شیکاگو و دانشمند ارشد این طرح، توضیح میدهد: اگر پیوندها در این فرآیند نتوانند بشکنند، نانوکریستالها هرگز شکل نخواهند گرفت. بهمحض اینکه یک پیوند اشتباه شکل بگیرد، کل ساختار از هم فرو میریزد.
راهحل؛ نمک مذاب و آمونیاک تحت فشار
برای حل این مشکل، پژوهشگران دو پیشرفت کلیدی بهدست آوردند: نخست، از یافتههای قبلی گروه خود درباره استفاده از نمک مذاب بهعنوان محیط مایع برای تثبیت نانوکریستالها بهره بردند. سپس با آزمایشهای گسترده، ترکیب خاصی از دما و فشار گاز آمونیاک را شناسایی کردند که به پیوندهای محکم بین فلز و نیتروژن اجازه میداد راحتتر بشکنند و دوباره شکل بگیرند.
تالاپین در این باره میگوید: این فرآیند بسیار غیرمعمول است و برخلاف تمام قواعد رایج در این حوزه عمل میکند. ما مجبور شدیم طرز فکر خود را کاملاً بازنگری کنیم.
گام بعدی؛ تولید انبوه و کاربردهای گسترده
پژوهشگران با بهکارگیری این روش، توانستند نانوکریستالهای گالیوم نیترید و نزدیک به دوازده ماده مرتبط دیگر را تولید کنند. از جمله این مواد میتوان به تیتانیوم نیترید (که در ایمپلنتهای پزشکی کاربرد دارد)، نیوبیوم نیترید (مادهای که در دماهای بسیار پایین، برق را بدون هیچ مقاومتی هدایت میکند و به آن اَبَررسانا میگویند) و مولیبدن نیترید (مادهای که واکنشهای شیمیایی را سرعت میبخشد) اشاره کرد.
رویمینگ لین (Ruiming Lin)، دانشجوی تحصیلات تکمیلی دانشگاه شیکاگو و نویسنده اول این مقاله، میگوید: ما نشان دادیم که چگونه میتوان نزدیک به دوازده ماده را، که با روشهای معمول قابلساخت نبودند، تولید کرد. وقتی برای اولینبار این کریستالها را زیر میکروسکوپ الکترونی دیدم، بسیار هیجانزده شدم. هر دانشمندی امید دارد که دستاوردش روزی در دنیای واقعی کاربرد پیدا کند. فکر میکنم این روش کاربردهای فراوانی خواهد داشت.
از آنجا که این مواد هم ارزشمند و هم نسبتاً کمهزینه هستند، تبدیل آنها به نانوکریستال میتواند راه را برای استفاده در فناوریهای گوناگون، از نمایشگرهای منعطف و ادوات چاپی گرفته تا پارچههای هوشمند و ایمپلنتهای پزشکی، هموار کند.
تالاپین در پایان تأکید میکند: این کشف، مرزهای این حوزه را فراتر از محدودیتهای پیشین گسترش میدهد و زمینه را برای استفاده از نیتریدها بهعنوان نانومواد فراهم میکند.