科技日报北京7月20日电（记者刘霞）美国芝加哥大学与阿贡国家实验室的化学家在最新一期《自然》杂志上发表研究报告，他们首次利用金属氮化物氮化镓制造出纳米晶体，为电子器件、柔性照明和医疗植入物等领域提供了新材料。
芝加哥大学科学家首次用氮化镓制造出纳米晶体，此前这被认为是“不可能的任务”。图为该晶体的电子显微镜图像。图片来源：芝加哥大学
纳米晶体指尺寸在纳米量级的晶体材料，或具有晶体结构的纳米颗粒，一般小于100纳米，直径不足10纳米的纳米晶体常被称作量子点。2023年，三位科学家因量子点的发现与研究荣膺诺贝尔化学奖。纳米晶体在微小尺度下展现出令人惊叹的特性，比如发出绚烂的光，或加速化学反应进程。
理论上，纳米晶体几乎可由任何材料制成，但长久以来，科学家只能利用寥寥数种材料制造这些微观晶体。团队决心打破这一桎梏，他们将目光投向了金属氮化物。这类由金属与氮结合而成的材料，兼具坚固、生物相容、耐热和抗腐蚀等优点，早已深入现代技术与制造业。其中，从LED灯泡到笔记本电脑屏幕，氮化镓点亮了人们身处的多种场景。
然而，金属氮化物天然的稳定性和柔韧性虽让它们成为消费电子的宠儿，却给试图用其制备纳米晶体的化学家出了道难题。晶体形成时，金属离子与氮离子需在最终定型前彼此“换位”，犹如圆舞曲中交换舞伴一般。但金属氮化物中的化学键异常牢固，恰似探戈舞者紧扣双手，不愿松开。若这些强键无法暂时断裂，纳米晶体便无法形成。
团队提出的破解之道分两步走：首先，他们用熔融盐充当反应的“温床”，稳稳托住纳米晶体的成型过程；随后，他们精准捕捉到温度与氨压力的“黄金窗口”，让原本顽固的金属—氮键变得容易断开与重组。在此基础上，他们不仅造出了氮化镓纳米晶体，还成功制备出一系列其他氮化物纳米晶体，包括用于医疗植入物的氮化钛、工业上重要的超导体氮化铌，以及常见催化剂氮化钼。
这些材料不仅功能出色，成本也相对低廉。将它们制成纳米晶体后，其应用领域进一步扩大——除传统的刚性薄膜，它们未来还可掺入聚合物，借由喷墨打印融入织物或其他柔性设备。这突破了该领域长期以来的根本限制，为氮化物作为纳米材料大规模登场奠定了坚实基础。
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