عاجل | علماء يفككون قانون صنع البلورات النانوية “المستحيلة”

يمكن لطريقة الملح المنصهر التي طورها الباحثون في جامعة شيكاغو وأرغون أن تتيح مواد أكثر متانة للإلكترونيات المطبوعة والأجهزة المرنة.

لقد أصبحت البلورات النانوية ذات قيمة كبيرة للعلوم والتكنولوجيا لدرجة أن الأبحاث المتعلقة بها حازت على تقدير كبير جائزة نوبل في الكيمياء 2023. ومع ذلك، وعلى الرغم من إمكاناتها، لم يتمكن الباحثون من إنتاج هذه البلورات المجهرية إلا من مجموعة محدودة نسبيًا من المواد.

الكيميائيين في جامعة شيكاغو و مختبر أرجون الوطني لقد طوروا الآن طريقة لصنع بلورات نانوية من نيتريدات المعادن، وهي فئة مهمة من الناحية التكنولوجية من المواد التي قاومت التركيب التقليدي. نشرت في طبيعةيمكن أن يخلق هذا العمل فرصًا جديدة للإضاءة المرنة والإلكترونيات المطبوعة والمزروعات الطبية وغيرها من الأجهزة.

وأوضح رويمنج لين، طالب الدراسات العليا في جامعة شيكاغو والمؤلف الأول للورقة الجديدة: "لقد تمكنا من إظهار كيفية صنع سلسلة من ما يقرب من اثنتي عشرة مادة لا يمكن تصنيعها بالطرق التقليدية".

البلورات النانوية يمكن أن تجعل النتريدات مرنة

تلعب نيتريدات المعادن بالفعل أدوارًا مهمة عبر التكنولوجيا الحديثة والتصنيع. على سبيل المثال، يتم استخدام نيتريد الغاليوم في جميع أنظمة الإضاءة المعاصرة، بما في ذلك مصابيح LED وشاشات الكمبيوتر المحمول.

إن إنتاج هذه المواد على شكل بلورات نانوية يمكن أن يؤدي إلى توسيع نطاق استخدامها بشكل كبير. وبدلاً من أن تقتصر هذه البلورات النانوية على الأفلام الصلبة بشكل أساسي، فمن الممكن في نهاية المطاف خلط بلورات نيتريد المعدن في بوليمرات، أو ترسيبها في الطابعات النافثة للحبر، أو دمجها في الأقمشة وغيرها من المنتجات المرنة.

أوضح دميتري تالابين، أستاذ الخدمة المتميزة في الكيمياء والهندسة الجزيئية في جامعة شيكاغو، ديمتري تالابين، أستاذ الخدمة المتميزة في إرنست ديويت بيرتون للكيمياء والهندسة الجزيئية في جامعة شيكاغو: "هذا يوسع حدود المجال بما يتجاوز القيود الأساسية السابقة، ويضع الأساس لاستخدام النتريدات كمواد نانوية".

البلورات النانوية عبارة عن بلورات تم اختزالها إلى نطاق صغير للغاية، حيث يمكن وضع ملايين أو حتى مليارات منها على ظفر الإصبع. يمكن للمواد بهذا الحجم أن تعرض خصائص تختلف عن تلك الموجودة في الهياكل الأكبر حجمًا، بما في ذلك إنتاج ضوء مكثف أو تسريع التفاعلات الكيميائية.

من حيث المبدأ، يجب أن يكون الباحثون قادرين على إنشاء بلورات نانوية من أي مادة تقريبًا. ولكن من الناحية العملية، ظلت العديد من المواد المفيدة غير قابلة للوصول.

شرع لين وأعضاء آخرون في مختبر تالابين في التغلب على هذا القيد.

الروابط القوية تمنع تكون البلورات

وركز الباحثون على نيتريدات المعادن، وهي مركبات تتكون من المعادن والنيتروجين. هذه المواد متينة بشكل عام، ومتوافقة مع الأنسجة البيولوجية، ومقاومة للحرارة والتآكل.

هذه الصفات تجعل نيتريدات المعادن ذات قيمة لتطبيقات مثل الإلكترونيات. لكن نفس الاستقرار الكيميائي الذي يجعلها مفيدة يجعل من الصعب للغاية تشكيلها إلى بلورات نانوية.

مع تطور البلورة، يجب إعادة ترتيب أيوناتها بشكل متكرر قبل أن تستقر في البنية الصحيحة، مثلما يغير الشركاء أماكنهم أثناء رقصة مربعة. في النتريدات المعدنية، تكون الروابط قوية جدًا لدرجة أن الأيونات تتصرف بشكل أشبه بشركاء التانغو المرتبطين بإحكام والذين يقاومون التبديل.

وأوضح تالابين: "إذا لم تتمكن الروابط من التفكك خلال هذه العملية، فهذا حكم الإعدام على البلورات النانوية". "بمجرد إجراء رابطة غير صحيحة، كل شيء يتجه نحو الجنوب."

تعمل الأملاح المنصهرة على تفكيك الروابط العنيدة

يتطلب حل المشكلة تقدمين.

مختبر تالابين أولاً استند إلى اكتشاف سابق أن الأملاح المنصهرة يمكن أن تكون بمثابة الوسط السائل اللازم لتثبيت البلورات النانوية أثناء تشكلها. حددت تجارب أخرى بعد ذلك مزيجًا محددًا من درجة الحرارة وضغط الأمونيا الذي سمح للروابط القوية بين ذرات المعدن والنيتروجين بالكسر والإصلاح بسهولة أكبر.

أوضح تالابين: "هذه العملية غير عادية للغاية، فهي تتعارض مع كل جزء من المنطق السليم في هذا المجال". "كان علينا إعادة التفكير في النهج بالكامل."

أصبح من الممكن الوصول إلى ما يقرب من اثنتي عشرة نيتريدات

وباستخدام هذه الطريقة، أنتج الباحثون بلورات نانوية من نيتريد الغاليوم وما يقرب من اثنتي عشرة مادة أخرى ذات صلة. وشملت هذه نيتريد التيتانيوم، الذي يستخدم في الغرسات الطبية؛ ونيتريد النيوبيوم، وهو موصل صناعي فائق مهم؛ ونيتريد الموليبدينوم، وهو محفز يستخدم على نطاق واسع.

ونظرًا لأن هذه المواد مفيدة وغير مكلفة نسبيًا، فإن تحويلها إلى بلورات نانوية قد يجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من التقنيات.

أوضح لين: "أتأفاد المرة الأولى التي نظرت فيها عبر المجهر الإلكتروني ورأيت تلك البلورات". "أنت تأمل دائمًا أن يتحول شيء ما اكتشفته إلى تطبيقات. أعتقد أنه سيكون هناك العديد من الاستخدامات."

المرجع: "يتحكم ضغط الأمونيا في تخليق نيتريد المعدن الغروي في الأملاح المنصهرة" بقلم Ruiming Lin، Vikash Khokhar، Ningxin Jiang، Wooje Cho، Zirui Zhou، Di Wang، Justin C. Ondry، Zehan Mi، James Cassidy، Alex M. Hinkle، Alexander S. Filatov، John S. Anderson، Richard D. Schaller، De-en Jiang and Dmitri V. تالابين، 15 يوليو 2026، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-026-10801-3

التمويل: وزارة الطاقة الأمريكية، مجموعة Samsung QD التعاونية، المؤسسة الوطنية للعلوم، مكتب القوات الجوية للبحث العلمي.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.