راهی برای دستیابی به نیتریدهای جدید

محققان قادر شدند مشخص کنند که کجا نیتریدهای جدید را می‌توان یافت. اعتبار: جاش باور / NREL
 
آندری زاکوتایِف می داند که شانس یک دانشمند برای کشف اتفاقی یک نیترید معدنی جدید تقریباً به اندازه شانس نجات یک کشتی واقع بر یک منطقه وسیع قبلاً کشف نشده است.
 
زاکوتایِف، که دانشمندی در آزمایشگاه ملی انرژی تجدید پذیر (NREL) در دپارتمان انرژی ایالات متحده (DOE) است، گفت: "اگر شما هر نیتریدی در طبیعت پیدا کنید، احتمالا در یک شهاب سنگ بوده است."
 
نیتریدها، که هنگامی شکل می گیرند که عناصر فلزی با نیتروژن ترکیب می شوند، می توانند خواص منحصر به فردی داشته باشند با کاربردهای بالقوه ای از نیمه رساناها گرفته تا لایه نشانی های صنعتی. یک نیمه رسانای نیتریدی به عنوان سنگ بنای یک تکنولوژی برنده جایزه نوبل برای دیودهای نورافشان (LEDها) خدمت کرده است. اما قبل از این که نیتریدها بتوانند مورد استفاده قرار گیرند، باید ابتدا کشف شوند - و اکنون محققان نقشه ای دارند که آنها را در این راه هدایت می کند.
 
یک تلاش پژوهشی پیشگامانه درگیر کننده‌ی دانشمندانی در NREL؛ آزمایشگاه ملی برکلی لارنس (LBNL)؛ دانشگاه کلرادو در بولدر (CU)؛ و دیگر مؤسسات همدست در سراسر کشور، اخیرا "نقشه ای از نیتریدهای فلزی سه مبنایی معدنی" منتشر کرد که در مجله مواد طبیعت ظاهر شد. این مقاله، به طور برجسته، یک نقشه پایداری بزرگ از نیتریدهای سه مبنایی را نشان می دهد است که ترکیبات نیترید را در جایی که کشف آزمایشی نوید بخش است و دیگر ترکیبات را در جایی که تشکیل نیترید غیر محتمل است برجسته می کند. برای شیمیدانانی که تلاش می کنند نیترید های جدید را در آزمایشگاه ایجاد کنند، این نقشه ابزار قابل توجهی خواهد بود.
 
ونهائو سون، نویسنده اصلی مقاله و دانشمند صاحب منصب در LBNL، کشف مواد را به اکتشاف جهان در روزگاران قدیم تشبیه کرد. سون توضیح می دهد: "سفر به ناشناخته، یک تلاش بسیار مخاطره آمیز بود" "و به همین ترتیب، کاوش فضاهای شیمیایی جدید نیز ممکن است خطرناک باشد. اگر شما به آزمایشگاه بروید و عناصر مختلف را با هم مخلوط کنید، ممکن است یک ترکیب جدید ایجاد کنید. یا ممکن است این طور نشود. اگر شما ماده جدیدی را که دنبالش هستید پیدا نکنید، این می تواند یک اتلاف بزرگ وقت و تلاش باشد. نقشه ها کمک می کنند که کاوشگران را هدایت کنند و به آنها اجازه می دهند که بهتر حرکت کنند. در اینجا ما یک نقشه شیمیایی ساختیم که به سنتز اکتشافی نیتریدها راهنمایی می کند."
 
یک نسخه تعاملی نقشه، نیترید های سه مبنایی پایداری را نشان می دهد که به رنگ آبی برجسته شده‌اند، که نشان می دهد که آنها داوطلب خوبی برای آزمایش هستند.
 
تحقیق دیگری که توسط مرکز تأمین مالی شده است، راه های جدیدی را کشف کرده است برای ترکیب مواد برای تشکیل آلیاژها، و نیز ترکیب پلی‌مورف های مواد خاص که می توانند پایه نسل بعدی نیمه رساناها را تشکیل دهند. تحقیق نیتریدهای جدید به دنبال چندین سال تحقیق در مورد مواد کم پایدار و پتانسیل استفاده از آنها در فن آوری های مختلف، مثل نیمه رساناها، می آید.
 

مواد کم پایدار آنهایی هستند که در طول زمان تغییر می کنند تا پایدارتر شوند. به عنوان مثال، الماس ها کم پایدار هستند، زیرا آنها در نهایت به گرافیت تبدیل می شوند، که پلی مورف پایدارتری از کربن است. اما مقدار زمانی که طول می کشد قابل توجه است - میلیون ها سال در این مثال - بنابراین محققان نباید از استفاده از ترکیبات کم پایدار کوتاه بیایند.
 
سون گفت: "اگر شما طراحی مواد را فقط با مواد پایدار انجام دهید، انتخاب های شما محدود می شود. اما اگر شروع کنید به فکر کردن در مورد این که چه مواد کم پایداری را می توانید بسازید، فضای طراحی خود را گسترش می دهید. "
 
توماس افزود: "تیم EFRC ما عازم شد بر این که ترکیبات کم پایدار را در طراحی مواد خود وارد کند." "این کار، قدرت همکاری‌ها بین نظریه پردازان و تجربه گرایان را نشان می دهد، که در یک رویکرد تیم، مهارت های محاسباتی، ترکیبی، و توصیفی را ترکیب می کنند."
 
قبل از شروع همکاری فعلی خود با NREL، سون متوجه شد که مواد کم پایدار، بخش قابل توجهی از ترکیبات نیترید را تشکیل می دهند و یافته های خود را در پایان سال 2016 منتشر کرد. اگر شما طراحی مواد را فقط با مواد پایدار انجام دهید، انتخاب های شما محدود می شود. سون گفت: "پس از آن که آن نوشته شد، مشخص شد این کار تیمی خوبی است برای کاوش نیتریدها." " اکنون NREL سالهاست که نیتریدهای کم پایدار را تولید می کند."
 
این، همراه با توانایی نشان داده شده‌ی NREL برای تولید فیلم های نازک نیتریدی بسیار کم پایدار (توضیح داده شده در مقاله مروری 2016 زوکوتایف در مورد این موضوع)، الهامبخش مقاله‌ای پیرامون نیتریدهای دو مبنایی بود که سون، زوکوتایف و دیگران در سال 2017 منتشر کردند. تحقیقات تازه منتشر شده روی نیتریدهای سه مبنایی گام منطقی بعدی بود.
 
دنیای نیتریدهای سه مبنایی به طور کامل مورد بررسی قرار نگرفته است، زیرا ترکیبات - متشکل از نیتروژن و دو فلز- مشکل سنتز می شوند. پیش بینی نیترید های سه مبنایی جدید متکی است بر روی علم محاسباتی مواد، با استفاده از الگوریتم های یادگیری ماشین برای نقشه کشی فضاهای قبلاً ترسیم نشده. این، روند را در مقایسه با روش سنتی آزمایش و خطا شتاب داد.
 

اگر چه نیتروژن در جو زمین بسیار بیشتر از اکسیژن است، اما تشکیل اکسید ها بسیار ساده تر از تشکیل نیتریدهاست. به عنوان مثال، قطعه ای از آهن را بیرون بگذارید و در نهایت زنگ زده یا اکسیده می شود. این به این دلیل است که پیوند بین اتم های اکسیژن به راحتی می تواند از بین برود. اما اتم های نیتروژن به سفتی همدیگر را نگاه می دارند.
 
زوکوتایف گفت: "اکسیدها و نیتریدها اغلب شیمی مشابهی دارند." "اما برای هر نیترید ثبت شده، 14 اکسید وجود دارد. اگر شیمی شبیه باشد، هیچ دلیلی وجود ندارد که تعداد زیادی از یکی وجود داشته باشد و تعداد کمی از دیگری. این یک فرصت اکتشافی بسیار بزرگ است."
 
منبع: واین هیکس، آزمایشگاه ملی انرژی تجدید پذیر