Andriy Zakutayev weet dat de kans dat een wetenschapper over een nieuw nitridemineraal struikelt ongeveer hetzelfde is als een schip dat op een voorheen onontdekte landmassa terechtkomt.

"Als je nitride in de natuur vindt, het zit waarschijnlijk in een meteoriet, " zei Zakutayev, een wetenschapper bij het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE).

Gevormd wanneer metalen elementen worden gecombineerd met stikstof, nitriden kunnen unieke eigenschappen bezitten met potentiële toepassingen die uiteenlopen van halfgeleiders tot industriële coatings. Eén nitridehalfgeleider vormde de hoeksteen van een Nobelprijswinnende technologie voor light-emitting diodes (LED's). Maar voordat nitriden kunnen worden gebruikt, ze moeten eerst worden ontdekt - en nu, onderzoekers hebben een kaart om hen te begeleiden.

Een baanbrekende onderzoeksinspanning waarbij wetenschappers van NREL betrokken zijn; Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium (LBNL); Universiteit van Colorado, Boulder (CU); en andere partnerinstellingen in het hele land publiceerden onlangs "A Map of the Inorganic Ternary Metal Nitrides, " die verschijnt in Natuurmaterialen . Het papier bevat een grote stabiliteitskaart van de ternaire nitriden, het benadrukken van nitridesamenstellingen waar experimentele ontdekking veelbelovend is, en andere samenstellingen waar nitridevorming onwaarschijnlijk is. Voor chemici die in het laboratorium nieuwe nitriden proberen te maken, deze kaart zal een aanzienlijk waardevol hulpmiddel zijn.

Wenhao Zon, hoofdauteur van de paper en stafwetenschapper bij LBNL, vergeleek de ontdekking van materialen met de wereldverkenning van vervlogen tijden. "Zeilen in het onbekende was een zeer riskante onderneming, "Sun legt uit, "en op dezelfde manier verkenning van nieuwe chemische ruimtes kan ook riskant zijn. Als je naar het lab gaat en verschillende elementen met elkaar mengt, je zou een nieuwe verbinding kunnen maken. Of misschien niet. Als u geen nieuw materiaal vindt waar u zoekt, het kan een grote verspilling van tijd en moeite zijn. Kaarten helpen ontdekkingsreizigers te begeleiden, waardoor ze beter kunnen navigeren. Hier, we hebben een chemische kaart gebouwd om de verkennende synthese van nitriden te begeleiden."

Een interactieve versie van de kaart toont stabiele ternaire nitriden gemarkeerd in blauw, waaruit blijkt dat ze goede kandidaten zijn voor experimenten.

Ander onderzoek gefinancierd door het centrum heeft nieuwe manieren ontdekt om materialen te combineren om legeringen te vormen, en om specifieke materiële polymorfen te synthetiseren die de basis zouden kunnen vormen van de volgende generatie halfgeleiders. Het nieuwe nitridenonderzoek volgt op meerdere jaren van onderzoek naar metastabiele materialen en het potentieel om ze in verschillende technologieën te gebruiken, inclusief halfgeleiders.

Metastabiele materialen verkennen

Metastabiele materialen zijn die, overuren, zal verschuiven om stabieler te worden. diamanten, bijvoorbeeld, zijn metastabiel omdat ze uiteindelijk in grafiet zouden veranderen, een stabielere polymorfe vorm van koolstof. Maar de hoeveelheid tijd die dat kost is aanzienlijk - miljoenen jaren in dit voorbeeld - dus onderzoekers moeten het gebruik van metastabiele verbindingen niet buiten beschouwing laten.

"Als je alleen materiaal ontwerpt met stabiele materialen, "Zon zei, "je keuzes zijn beperkt. Maar als je gaat nadenken over welke metastabiele materialen gemaakt kunnen worden, je vergroot je ontwerpruimte."

"Ons EFRC-team wilde metastabiele verbindingen opnemen in het ontwerp van materialen, " voegde Tumas toe. "Dit werk toont de kracht van samenwerkingen tussen theoretici en experimentatoren, het combineren van computationele, synthetisch, en karakteriseringsvaardigheden in een teamaanpak."

Naast NREL, CU, en LBNL, wetenschappers van de Oregon State University en SLAC National Accelerator Laboratory leenden hun expertise in het in kaart brengen, kenmerkend, en het begrijpen van de potentiële nieuwe nitriden. "Dit was een teamprestatie, "zei Sun. "Het kostte absoluut iedereen om samen te werken."

Voordat hij aan zijn voortdurende samenwerking met NREL begon, Sun had vastgesteld dat metastabiele materialen verantwoordelijk waren voor een aanzienlijk deel van de nitrideverbindingen, en publiceerde zijn bevindingen tegen het einde van 2016. "Nadat dat was geschreven, het werd duidelijk dat dit een goede teaminspanning zou zijn om nitriden te onderzoeken, " zei Sun. "NREL maakt al vele jaren metastabiele nitriden."

Dat, in combinatie met het aangetoonde vermogen van NREL om zeer metastabiele nitride-dunne-films te synthetiseren (beschreven in Zakutayev's overzichtsartikel uit 2016 over dit onderwerp), inspireerde een artikel over binaire nitriden dat Sun, Zakutayev, en anderen gepubliceerd in 2017. Het nieuw gepubliceerde onderzoek naar ternaire nitriden was de volgende logische stap.

De wereld van ternaire nitriden is nog niet grondig onderzocht omdat de verbindingen - bestaande uit stikstof en twee metalen - moeilijk te synthetiseren zijn. De voorspelling van de nieuwe ternaire nitriden was gebaseerd op computationele materiaalwetenschap, machine learning-algoritmen gebruiken om voorheen onbekende ruimtes in kaart te brengen. Dit versnelde het proces in vergelijking met de traditionele trial-and-error-methode.

Meer nitriden aan de horizon

Hoewel stikstof veel overvloediger is in de atmosfeer van de aarde dan zuurstof, het is aanzienlijk gemakkelijker om oxiden te vormen dan nitriden. Laat een stuk ijzer buiten, bijvoorbeeld, en uiteindelijk zal het roesten, of oxideren. Dat komt omdat de binding tussen zuurstofatomen gemakkelijk kan losraken. Maar stikstofatomen houden stevig vast.

"Oxiden en nitriden hebben vaak een vergelijkbare chemie, " zei Zakutayev, die werkt aan de ontwikkeling van nieuwe materialen voor hernieuwbare energietechnologieën en een bewezen staat van dienst heeft in het synthetiseren van nitriden. "Maar voor elk gedocumenteerd nitride, er zijn 14 oxiden. Als de chemie vergelijkbaar is, er is geen reden waarom er veel van het een en weinig van het ander zouden zijn. Dat is een zeer grote ontdekkingskans."

Voordat onderzoekers de nitriden in kaart konden brengen, echter, ze moesten eerst nieuwe nitridematerialen voorspellen. Met behulp van high-throughput computationele materiaalwetenschap, ze beschouwden eerst 6, 000 potentiële nitrideverbindingen door bekende nitriden te vervangen door nieuwe elementen. Na controle van de stabiliteit van deze mogelijke nitriden, ze voorspelden 203 nieuwe stabiele ternaire nitrideverbindingen. Tot nu, er waren slechts 213 stabiele nitriden bekend.

De eerste twee ternaire nitriden werden ontdekt in 1927, en de derde acht jaar later. Vanaf dat moment, sporadisch zijn nieuwe nitriden ontdekt. Deze batch van 203 is verreweg het grootste aantal potentiële nieuwe nitriden dat in één jaar is geïdentificeerd.

"Historisch, nitriden worden ontdekt met een snelheid van drie of vier per jaar, experimenteel gesproken, ' zei Zakutayev.

Geleid door de kaart, Zakutayev en zijn team waren aanvankelijk in staat om zeven nieuwe ternaire nitriden in het laboratorium te synthetiseren. Verscheidene meer nitriden zijn gesynthetiseerd sinds het papier werd geschreven.

Synthese bewijst nauwkeurigheid van voorspellingen

"Tot dusver, we slaan duizend, " zei Houder, een onderzoeksprofessor die een gezamenlijke CU-NREL-aanstelling heeft en co-auteur is van het nieuwe artikel. "Elk ternair nitride dat we voorspelden, zou een stabiele verbinding kunnen maken."

Het vermogen om de zeven nieuwe nitriden te synthetiseren, de auteurs noteerden in de krant, valideert de voorspellingen van het bestaan ​​van de andere nitriden "en benadrukt de waardevolle rol van de ontdekking van computationele materialen bij het versnellen van verkennende synthese in nieuwe chemische ruimtes."

Het onderzoek geeft ook een andere dimensie aan het periodiek systeem der elementen door de neiging van een groep metalen aan te geven om stabiele of metastabiele ternaire nitriden te vormen. Calcium, bijvoorbeeld, viel op door zijn vermogen om een ​​nitride te creëren. Dat deed lithium ook. De wetenschappers waren ook in staat om metalen te verdisconteren die niet bruikbaar zijn in nitrideonderzoek. "Goud wil niet combineren met stikstof, "Houder zei, "en het toevoegen van een ander metaal zal het niet genoeg stabiliseren om het te laten gebeuren."

Nu in het bezit van een beter begrip van nitriden, onderzoekers kunnen verder met het bepalen van hun beste toepassingen. De Nobelprijs voor natuurkunde in 2014 werd toegekend aan een drietal onderzoekers die verschillende lagen galliumnitride combineerden om een ​​blauwe LED uit te vinden. Door hun blauwe licht te koppelen aan efficiënte fosforen, konden duurzame en energiezuinige witte LED-lampen worden gecreëerd. Het nitridenteam ziet nog meer toepassingen aan de horizon en daarbuiten.

"Zeker, deze materialen hebben veel mogelijke nieuwe functionele toepassingen, " zei Sun. "Sommige van hen zijn halfgeleiders en andere kunnen supergeleiders zijn. Velen van hen hebben misschien toepassingen waar we nog niet eens van hebben gedroomd. Er zijn veel richtingen om dit te gaan."