纳米晶体在现代材料科学中已成为重要一环，量子点帮助激励了2023年诺贝尔化学奖的颁发。但尽管它们具有巨大的潜力，研究人员只能够从相对狭窄的材料范围中生产这些微观晶体。现在，芝加哥大学和阿冈国家实验室的化学家们开发了一种从金属氮化物中制造纳米晶体的方法，这是一组在传统纳米晶体合成方面一直难以克服的技术重要材料。发表在《自然》杂志的研究可能会扩展电子产品和其他应用的可能性，包括灵活照明和医疗植入物。“我们能够展示如何合成近十种不能通过传统方法合成的材料，”芝加哥大学研究生和新论文的第一作者林瑞明说。解锁金属氮化物纳米晶体金属氮化物在技术和制造领域已经广泛应用。例如，氮化镓在今天的照明技术中普遍使用，从LED灯泡到笔记本电脑显示器。将这些材料转变为纳米晶体可能大大扩展它们的使用方式。金属氮化物纳米晶体最终可以被混合到聚合物中，通过喷墨技术打印，或被纳入织物和其他灵活设备中。“这扩展了该领域的边界，超越了以前的基本限制，并为氮化物作为纳米材料的使用奠定了基础，”芝加哥大学化学与分子工程的埃内斯特·德威特·伯顿杰出服务教授、阿冈实验室的科学家以及该论文的高级作者德米特里·塔拉平说。为什么纳米晶体如此有用纳米晶体是极小的晶体，数百万甚至数十亿个可以容纳在指甲上。材料在这个尺度下的行为可能大相径庭，有时会产生明亮的光或者在加速化学反应方面特别有效。在理论上，科学家们应该能够从各种各样的物质中创造纳米晶体。然而，在实践中，很多材料在这种形式上被证明是困难或不可能制作的。林瑞明和塔拉平实验室的其他研究人员决心突破这些限制。他们的注意力转向了金属氮化物，这些化合物是在金属与氮结合时形成的。这一组材料强度高、生物相容性好，并且具有良好的耐热和耐腐蚀性。这些特性使得金属氮化物在消费电子等应用中具有价值。但使其用于纳米晶体的同样稳定性也使它们极难形成。强键造成的重大挑战晶体在发展过程中的离子需要足够的自由度进行重排，然后才能定居到最终位置。这个过程有点像伴侣在方阵舞中换位。然而，在金属氮化物中，键非常强，离子不愿意重新排列。“如果在这个过程中键不能断裂，那对纳米晶体来说就是判决死刑，”塔拉平说。“一旦你形成了一个错误的键，所有的一切都会变得糟糕。”根据研究人员的说法，解决这个问题需要两个关键的进展。首先，塔拉平实验室基于之前的发现，说明熔融盐可以用作该过程中的液体介质，从而在形成过程中帮助稳定纳米晶体。然后，研究人员继续测试不同的条件，直到他们确定涉及温度和氨气压力的“甜点”条件。在这些条件下，金属和氮原子之间的键可以更容易地断裂并重新组合，允许晶体结构适当地组织起来。“这个过程非常不寻常——这与该领域的所有常识相悖，”塔拉平说。“我们必须完全重新思考这个方法。”近十种新纳米晶体材料这种方法不仅对氮化镓有效。研究团队还从几种相关氮化物材料中生产了纳米晶体，包括用于医疗植入物的氮化钛，重要的工业超导体氮化铌，以及常用作催化剂的氮化钼。这些材料既有用又相对便宜。研究人员希望将它们转化为纳米晶体将使它们在更广泛的技术中得到应用。“我记得第一次通过电子显微镜看到那些晶体，”林说。“你总是希望你发现的东西最终能用于应用。我认为会有很多用途。”其他来自芝加哥大学的作者包括蒋宁欣、曹宇杰、周子瑞、王迪、贾斯廷·昂德瑞、米泽涵、詹姆斯·卡西迪、亚历克斯·辛克尔、亚历克萨andr·菲拉托夫和约翰·S·安德森。这些科学家利用了位于芝加哥大学的国家科学基金会材料研究科学与工程中心的资源。