Andriy Zakutayev sabe que las probabilidades de que un científico se tropiece con un nuevo mineral de nitruro son aproximadamente las mismas que las de un barco que pasa por una masa terrestre no descubierta anteriormente.

"Si encuentra nitruro en la naturaleza, probablemente esté en un meteorito, "dijo Zakutayev, científico del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).

Formado cuando los elementos metálicos se combinan con el nitrógeno, Los nitruros pueden poseer propiedades únicas con aplicaciones potenciales que van desde semiconductores hasta revestimientos industriales. Un semiconductor de nitruro sirvió como piedra angular de una tecnología ganadora del Premio Nobel para diodos emisores de luz (LED). Pero antes de que se puedan utilizar los nitruros, primero deben ser descubiertos, y ahora, los investigadores tienen un mapa para guiarlos.

Un esfuerzo de investigación innovador que involucra a científicos de NREL; Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL); Universidad de Colorado, Boulder (CU); y otras instituciones asociadas en todo el país publicaron recientemente "Un mapa de los nitruros de metales ternarios inorgánicos, "que aparece en Materiales de la naturaleza . El documento presenta un gran mapa de estabilidad de los nitruros ternarios, destacando las composiciones de nitruros donde el descubrimiento experimental es prometedor, y otras composiciones en las que sería improbable la formación de nitruros. Para los químicos que intentan crear nuevos nitruros en el laboratorio, este mapa será una herramienta muy valiosa.

Wenhao Sun, autor principal del artículo y científico del personal de LBNL, comparó el descubrimiento de materiales con la exploración mundial de días pasados. "Navegar hacia lo desconocido fue una empresa muy arriesgada, "Sun explica, "y de la misma forma, La exploración de nuevos espacios químicos también puede ser peligrosa. Si va al laboratorio y mezcla diferentes elementos, podría hacer un nuevo compuesto. O puede que no. Si no encuentra un material nuevo donde está buscando, puede ser una gran pérdida de tiempo y esfuerzo. Los mapas ayudan a guiar a los exploradores, permitiéndoles navegar mejor. Aquí, construimos un mapa químico para guiar la síntesis exploratoria de nitruros ".

Una versión interactiva del mapa muestra nitruros ternarios estables resaltados en azul, indicando que son buenos candidatos para la experimentación.

Otra investigación financiada por el centro ha descubierto nuevas formas de combinar materiales para formar aleaciones, así como para sintetizar polimorfos de materiales específicos que podrían formar la base de semiconductores de próxima generación. La nueva investigación de nitruros sigue a varios años de investigación de materiales metaestables y el potencial para usarlos en diversas tecnologías. incluidos los semiconductores.

Explorando materiales metaestables

Los materiales metaestables son aquellos que, tiempo extraordinario, cambiará para volverse más estable. Diamantes por ejemplo, son metaestables, ya que eventualmente se convertirían en grafito, una forma polimorfa de carbono más estable. Pero la cantidad de tiempo que lleva es considerable, millones de años en este ejemplo, por lo que los investigadores no deben descartar el uso de compuestos metaestables.

"Si solo diseña materiales con materiales estables, "Sun dijo, "sus opciones son limitadas. Pero si comienza a pensar en qué materiales metaestables se pueden hacer, aumenta su espacio de diseño ".

"Nuestro equipo EFRC se propuso incluir compuestos metaestables en el diseño de materiales, "añadió Tumas." Este trabajo demuestra el poder de las colaboraciones entre teóricos y experimentales, combinando computacional, sintético, y habilidades de caracterización en un enfoque de equipo ".

Además de NREL, CU, y LBNL, Científicos de la Universidad Estatal de Oregon y el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC prestaron su experiencia en mapeo, caracterizando, y comprensión de los posibles nuevos nitruros. "Fue en gran medida un esfuerzo de equipo, ", dijo Sun." Definitivamente fue necesario que todos trabajaran juntos ".

Antes de embarcarse en su colaboración continua con NREL, Sun había determinado que los materiales metaestables representaban una fracción significativa de los compuestos de nitruro, y publicó sus hallazgos a finales de 2016. "Después de que se escribió, quedó claro que este sería un buen esfuerzo de equipo para explorar los nitruros, ", Dijo Sun." NREL ha estado produciendo nitruros metaestables durante muchos años ".

Ese, junto con la capacidad demostrada de NREL para sintetizar películas delgadas de nitruro altamente metaestables (descritas en el artículo de revisión de 2016 de Zakutayev sobre este tema), inspiró un artículo sobre nitruros binarios que Sun, Zakutayev, y otros publicados en 2017. La investigación recientemente publicada sobre nitruros ternarios fue el siguiente paso lógico.

El mundo de los nitruros ternarios no se ha explorado a fondo porque los compuestos, que consisten en nitrógeno y dos metales, son difíciles de sintetizar. La predicción de los nuevos nitruros ternarios se basó en la ciencia de los materiales computacionales, utilizando algoritmos de aprendizaje automático para mapear espacios previamente inexplorados. Esto aceleró el proceso en comparación con el método tradicional de prueba y error.

Más nitruros en el horizonte

Aunque el nitrógeno es mucho más abundante en la atmósfera terrestre que el oxígeno, es considerablemente más fácil que se formen óxidos que nitruros. Deja un trozo de hierro afuera, por ejemplo, y eventualmente se oxidará, u oxidar. Eso es porque el enlace entre los átomos de oxígeno puede desprenderse fácilmente. Pero los átomos de nitrógeno se mantienen firmes.

"Los óxidos y nitruros a menudo tienen una química similar, "dijo Zakutayev, que trabaja en el desarrollo de nuevos materiales para tecnologías de energía renovable y tiene un historial probado en la síntesis de nitruros. "Pero por cada nitruro documentado, hay 14 óxidos. Si la química es similar, no hay razón para que haya muchos de uno y pocos de otro. Esa es una gran oportunidad de descubrimiento ".

Antes de que los investigadores pudieran mapear los nitruros, sin embargo, primero necesitaban predecir nuevos materiales de nitruro. Usando ciencia de materiales computacionales de alto rendimiento, primero consideraron 6, 000 compuestos potenciales de nitruros mediante la sustitución de nitruros conocidos por nuevos elementos. Después de comprobar la estabilidad de estos posibles nitruros, predijeron 203 nuevos compuestos ternarios de nitruro estables. Hasta ahora, sólo se conocía la existencia de 213 nitruros estables.

Los dos primeros nitruros ternarios se descubrieron en 1927, y el tercero ocho años después. Desde entonces, esporádicamente se han descubierto nuevos nitruros. Este lote de 203 es, con mucho, el mayor número de posibles nuevos nitruros identificados en un solo año.

"Históricamente, los nitruros se descubren a razón de tres o cuatro al año, experimentalmente hablando, "dijo Zakutayev.

Guiado por el mapa, Zakutayev y su equipo pudieron inicialmente sintetizar siete nuevos nitruros ternarios en el laboratorio. Se han sintetizado varios nitruros más desde que se escribió el artículo.

La síntesis demuestra la precisión de las predicciones

"Hasta aquí, estamos bateando mil, "dijo Holder, un profesor de investigación que ocupa un cargo conjunto de CU-NREL y es coautor del nuevo artículo. "Cada nitruro ternario que predijimos podría producir un compuesto estable".

La capacidad de sintetizar los siete nuevos nitruros, los autores señalaron en el artículo, valida las predicciones de la existencia de los otros nitruros "y destaca el valioso papel del descubrimiento de materiales computacionales en la aceleración de la síntesis exploratoria en nuevos espacios químicos".

La investigación también proporciona otra dimensión a la tabla periódica de elementos al indicar la propensión de un grupo de metales a formar nitruros ternarios estables o metaestables. Calcio, por ejemplo, destacó por su capacidad para crear un nitruro. También lo hizo el litio. Los científicos también pudieron descartar metales que no serán útiles en la investigación de nitruros. "El oro no quiere combinarse con el nitrógeno, "Holder dijo, "y agregar otro metal no lo estabilizará lo suficiente como para que esto suceda".

Ahora poseído con una mayor comprensión de los nitruros, los investigadores pueden avanzar en la determinación de sus mejores usos. El Premio Nobel de Física en 2014 fue otorgado a un trío de investigadores que combinaron varias capas de nitruro de galio para inventar un LED azul. La combinación de su luz azul con fósforos eficientes permitió la creación de bombillas LED blancas de larga duración y de bajo consumo. El equipo de nitruros ve aún más aplicaciones en el horizonte y más allá.

"Ciertamente, estos materiales tienen muchas posibles aplicaciones funcionales nuevas, ", Dijo Sun." Algunos de ellos son semiconductores y otros podrían ser superconductores. Muchos de ellos pueden tener aplicaciones con las que ni siquiera hemos soñado todavía. Hay muchas direcciones para seguir ".