突破三十年合成瓶颈：氮化镓等金属氮化物首次进入“纳米时代”

IT之家 7 月 21 日消息，国际学术期刊《自然》7 月 15 日发表了一项来自美国芝加哥大学与阿贡国家实验室的突破性研究成果。由芝加哥大学化学系与分子工程学院 Ernest DeWitt Burton 杰出服务教授、阿贡国家实验室科学家 Dmitri Talapin 领衔的团队，首次成功将金属氮化物 —— 包括氮化镓（GaN）、氮化钛（TiN）、氮化铌（NbN）等 —— 制备为胶体纳米晶体。纳米晶体是尺寸极小（数百万乃至数十亿个晶体方可铺满指甲盖）的微观晶体。在这一尺度下，材料往往表现出与宏观状态截然不同的物理化学特性，例如产生明亮发光或显著增强化学反应活性。2023 年诺贝尔化学奖即授予了量子点的发现与合成领域，而量子点正是纳米晶体的一种重要类型。然而，长期以来，科学家仅能从有限的材料种类中制备纳米晶体。金属氮化物是一类由金属与氮结合而成的化合物，兼具高硬度、生物相容性、耐热与耐腐蚀等优异性能。其中，氮化镓已广泛应用于几乎所有的现代照明设备 —— 从 LED 灯泡到笔记本电脑屏幕；氮化钛常用于医疗植入物，氮化铌是工业领域重要的超导材料，氮化钼则是常见的催化剂。然而，正是这种稳定性带来了合成难题。Talapin 教授用了一个形象的比喻：晶体形成过程中，离子需要像舞伴交换一样不断调整位置才能最终定型，但金属氮化物内部的化学键极为牢固 —— 犹如跳探戈的舞伴 —— 极难“更换搭档”。“如果在这个过程中化学键无法断裂，对纳米晶体而言就是死刑，”Talapin 说道，“一旦形成错误的键，整个合成就全盘皆输。”研究团队的破解之道分为两步。首先，他们基于此前的发现，采用熔融无机盐替代传统有机溶剂作为反应介质。随后，通过大量实验找到了温度和氨气压力的最佳组合 —— 一个使金属-氮键能够更频繁地断裂与重组的“甜蜜点”。以三氯化钒与氨在 500°C 下的反应为例，当氨气压力仅为 0.1 兆帕时，产物为烧结团聚的颗粒粉末；当压力升至 2.0 兆帕时，则形成了分散良好、形状规整的单分散纳米晶体。密度泛函理论计算与从头算分子动力学模拟表明，氨分子（NH₃）和亚氨根离子（NH₂⁻）在纳米晶体表面吸附形成富氮壳层，并诱导熔盐离子有序排列，从而有效阻止了颗粒的聚集。Talapin 教授坦言：“这一过程非常不寻常 —— 它违背了该领域的所有常识。我们不得不彻底重构思路。”借助这一方法，团队成功合成了 TiN、VN、GaN、NbN、Mo₂N、Ta₃N₅、TaN、W₂N 以及三元 Ti₁₋xVxN 等近十种金属氮化物胶体纳米晶体。将这类材料制成纳米晶体，其应用前景将不再局限于传统的刚性薄膜。未来，它们有望与聚合物混合、通过喷墨打印方式制造、甚至集成到织物或其他柔性电子设备中。这一突破为印刷电子、柔性照明以及医疗植入物等领域的材料创新开辟了新的可能。IT之家附论文地址：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10801-3