p Andriy Zakutayev sabe que as chances de um cientista tropeçar em um novo mineral de nitreto são quase as mesmas que um navio passando por uma massa de terra previamente desconhecida. p "Se você encontrar qualquer nitreto na natureza, é provavelmente em um meteorito, "disse Zakutayev, um cientista do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE).

p Formado quando elementos metálicos combinam com nitrogênio, nitretos podem possuir propriedades únicas com aplicações potenciais que vão de semicondutores a revestimentos industriais. Um semicondutor de nitreto serviu como a pedra angular de uma tecnologia ganhadora do Prêmio Nobel para diodos emissores de luz (LEDs). Mas antes que os nitretos possam ser usados, eles primeiro devem ser descobertos - e agora, os pesquisadores têm um mapa para guiá-los.

p Um esforço de pesquisa inovador envolvendo cientistas do NREL; Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (LBNL); Universidade do Colorado, Boulder (CU); e outras instituições parceiras em todo o país publicaram recentemente "Um Mapa dos Nitretos Metálicos Ternários Inorgânicos, "que aparece em Materiais da Natureza . O artigo apresenta um grande mapa de estabilidade dos nitretos ternários, destacando composições de nitreto onde a descoberta experimental é promissora, e outras composições onde a formação de nitreto seria improvável. Para químicos que tentam criar novos nitretos em laboratório, este mapa será uma ferramenta significativamente valiosa.

p Wenhao Sun, autor principal do artigo e cientista da equipe do LBNL, comparou a descoberta de materiais à exploração do mundo de dias passados. "Navegar para o desconhecido foi um empreendimento muito arriscado, "Sun explica, "e da mesma forma, a exploração de novos espaços químicos também pode ser arriscada. Se você entrar no laboratório e misturar diferentes elementos, você pode fazer um novo composto. Ou talvez não. Se você não encontrar um novo material onde está procurando, pode ser uma grande perda de tempo e esforço. Os mapas ajudam a guiar os exploradores, permitindo-lhes navegar melhor. Aqui, construímos um mapa químico para orientar a síntese exploratória de nitretos. "

p Uma versão interativa do mapa mostra nitretos ternários estáveis ​​destacados em azul, indicando que eles são bons candidatos para experimentação.

p Outra pesquisa financiada pelo centro descobriu novas maneiras de combinar materiais para formar ligas, bem como sintetizar polimorfos de materiais específicos que poderiam formar a base dos semicondutores de próxima geração. A nova pesquisa de nitretos segue vários anos de investigação de materiais metaestáveis ​​e o potencial de usá-los em várias tecnologias, incluindo semicondutores.

p Explorando Materiais Metaestáveis

p Materiais metaestáveis ​​são aqueles que, hora extra, mudará para se tornar mais estável. Diamantes, por exemplo, são metaestáveis, pois acabariam se transformando em grafite, uma forma polimórfica de carbono mais estável. Mas a quantidade de tempo que leva é considerável - milhões de anos neste exemplo - então os pesquisadores não devem desconsiderar o uso de compostos metaestáveis.

p "Se você apenas fizer o design de materiais com materiais estáveis, "Sun disse, "suas escolhas são limitadas. Mas se você começar a pensar sobre quais materiais metaestáveis ​​podem ser feitos, você aumenta seu espaço de design. "

p "Nossa equipe EFRC decidiu incluir compostos metaestáveis ​​no design de materiais, "acrescentou Tumas." Este trabalho demonstra o poder das colaborações entre teóricos e experimentalistas, combinando computacional, sintético, e habilidades de caracterização em uma abordagem de equipe. "

p Além do NREL, CU, e LBNL, cientistas da Oregon State University e do SLAC National Accelerator Laboratory emprestaram sua experiência em mapeamento, caracterizando, e compreensão dos novos nitretos potenciais. "Este foi um esforço de equipe, "disse Sun." Definitivamente, todos trabalharam juntos. "

p Antes de embarcar em sua colaboração contínua com a NREL, Sun determinou que os materiais metaestáveis ​​representavam uma fração significativa de compostos de nitreto, e publicou suas descobertas perto do final de 2016. "Depois que isso foi escrito, ficou claro que seria um bom esforço de equipe para explorar nitretos, "Sun disse." NREL tem feito nitretos metaestáveis ​​por muitos anos agora. "

p Este, juntamente com a capacidade demonstrada do NREL de sintetizar filmes finos de nitreto altamente metaestáveis ​​(descrito no artigo de revisão de 2016 de Zakutayev sobre este tópico), inspirou um artigo sobre nitretos binários que a Sun, Zakutayev, e outros publicados em 2017. A pesquisa recém-publicada sobre nitretos ternários foi o próximo passo lógico.

p O mundo dos nitretos ternários não foi totalmente explorado porque os compostos - consistindo de nitrogênio e dois metais - são difíceis de sintetizar. A previsão dos novos nitretos ternários baseou-se na ciência dos materiais computacionais, usando algoritmos de aprendizado de máquina para mapear espaços anteriormente desconhecidos. Isso acelerou o processo em comparação com o método tradicional de tentativa e erro.

p Mais nitretos no horizonte

p Embora o nitrogênio seja muito mais abundante na atmosfera da Terra do que o oxigênio, é consideravelmente mais fácil para óxidos se formarem do que nitretos. Deixe um pedaço de ferro do lado de fora, por exemplo, e eventualmente vai enferrujar, ou oxidar. Isso porque a ligação entre os átomos de oxigênio pode se desalojar facilmente. Mas os átomos de nitrogênio se mantêm firmes.

p "Óxidos e nitretos costumam ter uma química semelhante, "disse Zakutayev, que trabalha no desenvolvimento de novos materiais para tecnologias de energia renovável e tem um histórico comprovado de síntese de nitretos. "Mas para cada nitreto documentado, existem 14 óxidos. Se a química for semelhante, não há razão para que haja muitos de um e poucos do outro. É uma grande oportunidade de descoberta. "

p Antes que os pesquisadores pudessem mapear os nitretos, Contudo, eles primeiro precisaram prever novos materiais de nitreto. Usando ciência de materiais computacionais de alto rendimento, eles primeiro consideraram 6, 000 compostos de nitreto em potencial, substituindo nitretos conhecidos por novos elementos. Depois de verificar a estabilidade desses possíveis nitretos, eles previram 203 novos compostos de nitreto ternário estáveis. Até agora, apenas 213 nitretos estáveis ​​eram conhecidos.

p Os dois primeiros nitretos ternários foram descobertos em 1927, e o terceiro oito anos depois. Desde então, novos nitretos foram descobertos esporadicamente. Este lote de 203 é de longe o maior número de novos nitretos potenciais identificados em um único ano.

p "Historicamente, nitretos são descobertos a uma taxa de três ou quatro por ano, falando experimentalmente, "disse Zakutayev.

p Guiado pelo mapa, Zakutayev e sua equipe foram inicialmente capazes de sintetizar sete novos nitretos ternários em laboratório. Vários outros nitretos foram sintetizados desde que o artigo foi escrito.

p A síntese prova a precisão das previsões

p "Até aqui, estamos batendo mil, "disse Holder, um professor pesquisador que tem uma nomeação conjunta CU-NREL e é co-autor do novo artigo. "Cada nitreto ternário que previmos poderia formar um composto estável."

p A capacidade de sintetizar os sete novos nitretos, os autores anotados no artigo, valida as previsões da existência de outros nitretos "e destaca o papel valioso da descoberta de materiais computacionais na aceleração da síntese exploratória em novos espaços químicos."

p A pesquisa também fornece outra dimensão para a tabela periódica de elementos, indicando a propensão de um grupo de metais para formar nitretos ternários estáveis ​​ou metaestáveis. Cálcio, por exemplo, destacou-se por sua capacidade de criar um nitreto. O lítio também. Os cientistas também foram capazes de descontar metais que não serão úteis na pesquisa de nitretos. "O ouro não quer se combinar com o nitrogênio, "Holder disse, “e adicionar outro metal não vai estabilizá-lo o suficiente para que isso aconteça”.

p Agora possuidor de um maior conhecimento sobre nitretos, os pesquisadores podem avançar na determinação de seus melhores usos. O Prêmio Nobel de Física em 2014 foi concedido a um trio de pesquisadores que combinou várias camadas de nitreto de gálio para inventar um LED azul. O acoplamento de sua luz azul com fósforos eficientes permitiu a criação de lâmpadas LED brancas de longa duração e com baixo consumo de energia. A equipe de nitretos vê ainda mais aplicações - e além - do horizonte.

p "Certamente, esses materiais têm muitas novas aplicações funcionais possíveis, "Disse Sun." Alguns deles são semicondutores e outros podem ser supercondutores. Muitos deles podem ter aplicativos com os quais ainda nem sonhamos. Há muitas direções para isso. "