Andriy Zakutayev sa che le probabilità per uno scienziato di imbattersi in un nuovo minerale di nitruro sono più o meno le stesse di una nave che si imbatte in una terraferma precedentemente sconosciuta.

"Se trovi del nitruro in natura, probabilmente è in un meteorite, " disse Zakutayev, uno scienziato presso il National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE).

Si forma quando gli elementi metallici si combinano con l'azoto, i nitruri possono possedere proprietà uniche con potenziali applicazioni che vanno dai semiconduttori ai rivestimenti industriali. Un semiconduttore di nitruro è servito come pietra angolare di una tecnologia vincitrice del premio Nobel per i diodi a emissione di luce (LED). Ma prima che i nitruri possano essere utilizzati, prima devono essere scoperti, e ora, i ricercatori hanno una mappa per guidarli.

Uno sforzo di ricerca innovativo che coinvolge gli scienziati del NREL; Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley (LBNL); Università del Colorado, masso (CU); e altre istituzioni partner in tutto il paese hanno recentemente pubblicato "A Map of the Inorganic Ternary Metal Nitrudes, "che appare in Materiali della natura . Il documento presenta un'ampia mappa di stabilità dei nitruri ternari, evidenziando le composizioni di nitruri in cui la scoperta sperimentale è promettente, e altre composizioni in cui la formazione di nitruri sarebbe improbabile. Per i chimici che tentano di creare nuovi nitruri in laboratorio, questa mappa sarà uno strumento di grande valore.

Wenhao Sole, autore principale del documento e scienziato del personale presso LBNL, ha paragonato la scoperta dei materiali all'esplorazione del mondo dei tempi passati. "Navigare verso l'ignoto è stata un'impresa molto rischiosa, "Sole spiega, "e allo stesso modo, anche l'esplorazione di nuovi spazi chimici può essere rischiosa. Se vai in laboratorio e mescoli insieme diversi elementi, potresti fare un nuovo composto. O potresti non farlo. Se non trovi un nuovo materiale dove stai cercando, può essere una grande perdita di tempo e fatica. Le mappe aiutano a guidare gli esploratori, permettendo loro di navigare meglio. Qui, abbiamo costruito una mappa chimica per guidare la sintesi esplorativa dei nitruri".

Una versione interattiva della mappa mostra nitruri ternari stabili evidenziati in blu, indicando che sono buoni candidati per la sperimentazione.

Altre ricerche finanziate dal centro hanno scoperto nuovi modi per combinare i materiali per formare leghe, nonché per sintetizzare materiali polimorfi specifici che potrebbero costituire la base dei semiconduttori di prossima generazione. La nuova ricerca sui nitruri segue diversi anni di indagine sui materiali metastabili e sulla possibilità di utilizzarli in varie tecnologie, compresi i semiconduttori.

Esplorare i materiali metastabili

I materiali metastabili sono quelli che, col tempo, si sposterà per diventare più stabile. diamanti, Per esempio, sono metastabili poiché alla fine si trasformerebbero in grafite, una forma polimorfa più stabile del carbonio. Ma la quantità di tempo necessaria è considerevole, milioni di anni in questo esempio, quindi i ricercatori non dovrebbero scartare l'uso di composti metastabili.

"Se si progettano solo materiali con materiali stabili, "Sole ha detto, "le tue scelte sono limitate. Ma se inizi a pensare a quali materiali metastabili possono essere realizzati, aumenti il ​​tuo spazio di progettazione."

"Il nostro team EFRC ha deciso di includere composti metastabili nella progettazione dei materiali, " ha aggiunto Tumas. "Questo lavoro dimostra il potere delle collaborazioni tra teorici e sperimentali, combinando computazionale, sintetico, e capacità di caratterizzazione in un approccio di squadra."

Oltre al NREL, CU, e LBNL, scienziati dell'Oregon State University e dello SLAC National Accelerator Laboratory hanno prestato la loro esperienza nella mappatura, caratterizzante, e capire i potenziali nuovi nitruri. "Questo è stato un vero lavoro di squadra, " ha detto Sun. "Ci sono voluti sicuramente tutti a lavorare insieme."

Prima di intraprendere la sua continua collaborazione con NREL, Sun aveva determinato che i materiali metastabili rappresentavano una frazione significativa di composti di nitruro, e ha pubblicato le sue scoperte verso la fine del 2016. "Dopo che è stato scritto, è diventato chiaro che sarebbe stato un buon lavoro di squadra per esplorare i nitruri, " ha detto Sun. "NREL produce nitruri metastabili da molti anni ormai".

Quella, insieme alla capacità dimostrata di NREL di sintetizzare film sottili di nitruro altamente metastabili (descritti nell'articolo di revisione di Zakutayev del 2016 su questo argomento), ha ispirato un articolo sui nitruri binari che Sun, Zakutaev, e altri pubblicati nel 2017. La ricerca appena pubblicata sui nitruri ternari è stato il passo logico successivo.

Il mondo dei nitruri ternari non è stato esplorato a fondo perché i composti, costituiti da azoto e due metalli, sono difficili da sintetizzare. La previsione dei nuovi nitruri ternari si basava sulla scienza dei materiali computazionale, utilizzando algoritmi di apprendimento automatico per mappare spazi precedentemente inesplorati. Ciò ha accelerato il processo rispetto al metodo tradizionale per tentativi ed errori.

Più nitruri all'orizzonte

Sebbene l'azoto sia molto più abbondante nell'atmosfera terrestre dell'ossigeno, è notevolmente più facile che gli ossidi si formino rispetto ai nitruri. Lascia fuori un pezzo di ferro, Per esempio, e alla fine arrugginirà, o ossidare. Questo perché il legame tra gli atomi di ossigeno può facilmente staccarsi. Ma gli atomi di azoto tengono duro.

"Ossidi e nitruri hanno spesso una chimica simile, " disse Zakutayev, che lavora allo sviluppo di nuovi materiali per le tecnologie delle energie rinnovabili e ha una comprovata esperienza nella sintesi di nitruri. "Ma per ogni nitruro documentato, ci sono 14 ossidi. Se la chimica è simile, non c'è motivo per cui dovrebbero essercene molti dell'uno e pochi dell'altro. È una grande opportunità di scoperta".

Prima che i ricercatori potessero mappare i nitruri, però, prima avevano bisogno di prevedere nuovi materiali di nitruro. Utilizzando la scienza dei materiali computazionale ad alto rendimento, hanno prima considerato 6, 000 potenziali composti di nitruri sostituendo nitruri noti con nuovi elementi. Dopo aver verificato la stabilità di questi eventuali nitruri, hanno previsto 203 nuovi composti di nitruri ternari stabili. Fino ad ora, si sapeva che esistevano solo 213 nitruri stabili.

I primi due nitruri ternari furono scoperti nel 1927, e il terzo otto anni dopo. Da allora, sporadicamente sono stati scoperti nuovi nitruri. Questo lotto di 203 è di gran lunga il maggior numero di potenziali nuovi nitruri identificati in un solo anno.

"Storicamente, i nitruri vengono scoperti al ritmo di tre o quattro all'anno, sperimentalmente parlando, " disse Zakutaev.

Guidato dalla mappa, Zakutayev e il suo team sono stati inizialmente in grado di sintetizzare sette nuovi nitruri ternari in laboratorio. Diversi altri nitruri sono stati sintetizzati da quando è stato scritto il documento.

La sintesi dimostra l'accuratezza delle previsioni

"Finora, stiamo battendo mille, " disse Titolare, un professore di ricerca che detiene un incarico congiunto CU-NREL ed è coautore del nuovo articolo. "Ogni nitruro ternario che avevamo previsto potrebbe creare un composto stabile".

La capacità di sintetizzare i sette nuovi nitruri, gli autori hanno notato nel documento, convalida le previsioni dell'esistenza degli altri nitruri "e mette in evidenza il ruolo prezioso della scoperta di materiali computazionali nell'accelerare la sintesi esplorativa in nuovi spazi chimici".

La ricerca fornisce anche un'altra dimensione alla tavola periodica degli elementi indicando la propensione di un gruppo di metalli a formare nitruri ternari stabili o metastabili. Calcio, Per esempio, si è distinto per la sua capacità di creare un nitruro. Così ha fatto il litio. Gli scienziati sono stati anche in grado di scartare i metalli che non saranno utili nella ricerca sui nitruri. "L'oro non vuole combinarsi con l'azoto, " Titolare ha detto, "e l'aggiunta di un altro metallo non lo stabilizzerà abbastanza da farlo accadere".

Ora posseduto da una maggiore comprensione dei nitruri, i ricercatori possono andare avanti determinando i loro migliori usi. Il Premio Nobel per la fisica nel 2014 è stato assegnato a un trio di ricercatori che hanno combinato diversi strati di nitruro di gallio per inventare un LED blu. L'accoppiamento della loro luce blu con fosfori efficienti ha permesso la creazione di lampadine a LED bianche di lunga durata ed efficienti dal punto di vista energetico. Il team dei nitruri vede ancora più applicazioni all'orizzonte e oltre.

"Certamente, questi materiali hanno molte nuove possibili applicazioni funzionali, " ha detto Sun. "Alcuni di loro sono semiconduttori e altri potrebbero essere superconduttori. Molti di loro potrebbero avere applicazioni che non abbiamo ancora nemmeno sognato. Ci sono molte direzioni in cui andare".