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I nanocristalli ottenuti dai nitruri metallici erano considerati fuori portata fino a poco tempo fa, e invece un gruppo di chimici dell’Università di Chicago insieme all’Argonne National Laboratory ha trovato il modo di produrli. Il lavoro, pubblicato su Nature, apre la porta a una classe di materiali che finora si è potuta usare quasi solo sotto forma di film rigidi, e che ora potrebbe finire dentro illuminazione flessibile, impianti medici e dispositivi stampabili.
Vale la pena ricordare da dove si parte. I nanocristalli sono cristalli minuscoli, talmente piccoli che milioni o addirittura miliardi di essi troverebbero posto su un’unghia. A quella scala la materia si comporta in modo diverso: certi materiali iniziano a emettere luce brillante, altri diventano straordinariamente efficaci nell’accelerare reazioni chimiche. I quantum dot, quelli che hanno contribuito a far vincere il Nobel per la Chimica nel 2023, appartengono proprio a questa famiglia. Il problema è che, nonostante il potenziale, la lista dei materiali da cui si riescono a ricavare nanocristalli è rimasta piuttosto corta.
Perché i nitruri metallici hanno resistito così a lungo
I nitruri metallici nascono dalla combinazione tra metalli e azoto. Sono resistenti, biocompatibili, sopportano bene calore e corrosione. Il nitruro di gallio, per fare l’esempio più familiare, è dentro buona parte della tecnologia di illuminazione che si usa ogni giorno, dalle lampadine LED agli schermi dei portatili. Proprio la stabilità che li rende preziosi, però, è ciò che li ha resi finora quasi impossibili da lavorare su scala nanometrica.
La spiegazione sta nei legami. Mentre un cristallo cresce, i suoi ioni hanno bisogno di una certa libertà per riorganizzarsi prima di sistemarsi nella posizione definitiva, un po’ come ballerini che si scambiano di posto durante una figura. Nei nitruri metallici i legami sono così forti che gli ioni restano dove si trovano, e questo manda tutto all’aria. “Se i legami non possono rompersi durante il processo, per i nanocristalli è una condanna a morte”, ha spiegato Dmitri Talapin, professore di chimica e ingegneria molecolare all’Università di Chicago, scienziato ad Argonne e autore senior dello studio. “Una volta che si forma un legame sbagliato, tutto va a rotoli”.
Sali fusi e pressione di ammoniaca, la ricetta che va contro il buon senso
La soluzione è arrivata da due mosse combinate. Il laboratorio di Talapin è partito da una scoperta precedente, quella dei sali fusi usati come mezzo liquido in cui far avvenire la reazione, capaci di stabilizzare i nanocristalli mentre si formano. Poi è cominciata la fase più lunga: provare condizioni diverse finché non è saltato fuori il punto giusto, un equilibrio preciso tra temperatura e pressione di ammoniaca. In quella finestra i legami tra atomi di metallo e di azoto riescono a rompersi e a riformarsi con più facilità, lasciando alla struttura cristallina lo spazio per organizzarsi come si deve. “Questo processo è molto insolito, va contro ogni buon senso nel campo”, ha commentato Talapin. “Abbiamo dovuto ripensare completamente l’approccio”.
Quasi una dozzina di materiali nuovi da usare
Il metodo non si è fermato al nitruro di gallio. Il gruppo ha prodotto nanocristalli anche da nitruro di titanio, impiegato negli impianti medici, da nitruro di niobio, superconduttore di importanza industriale, e da nitruro di molibdeno, usato di frequente come catalizzatore. “Siamo riusciti a mostrare come realizzare una serie di quasi una dozzina di materiali che non potevano essere sintetizzati con i metodi tradizionali”, ha detto Ruiming Lin, dottorando all’Università di Chicago e primo autore.
Sono materiali utili e relativamente economici, e questo è il punto: trasformarli in nanocristalli significa poterli mescolare a polimeri, stamparli con tecniche a getto d’inchiostro, integrarli in tessuti e dispositivi flessibili. “Ricordo la prima volta che ho guardato al microscopio elettronico e ho visto quei cristalli”, ha raccontato Lin. “Si spera sempre che qualcosa che si è scoperto finisca in qualche applicazione. Penso che gli usi saranno molti”. Alla ricerca hanno partecipato anche Ningxin Jiang, Wooje Cho, Zirui Zhou, Di Wang, Justin Ondry, Zehan Mi, James Cassidy, Alex Hinckle, Alexander Filatov e John S. Anderson. Il lavoro è stato finanziato dal Dipartimento dell’Energia statunitense, dalla Samsung QD Cluster Collaboration, dalla National Science Foundation e dall’Air Force Office of Scientific Research.
