Andriy Zakutayev vet att oddsen för att en forskare snubblar över ett nytt nitridmineral är ungefär samma som ett fartyg som händer på en tidigare oupptäckt landmassa.

"Om du hittar någon nitrid i naturen, det är förmodligen i en meteorit, "sade Zakutayev, en forskare vid U.S. Department of Energy's (DOE:s) National Renewable Energy Laboratory (NREL).

Bildas när metalliska element kombineras med kväve, nitrider kan ha unika egenskaper med potentiella tillämpningar som sträcker sig från halvledare till industriella beläggningar. En nitridhalvledare fungerade som hörnstenen i en nobelprisvinnande teknik för ljusemitterande dioder (LED). Men innan nitrider kan tas i bruk, de måste först upptäckas - och nu, forskare har en karta som vägleder dem.

En banbrytande forskningsinsats som involverar forskare vid NREL; Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL); University of Colorado, Boulder (CU); och andra partnerinstitutioner runt om i landet publicerade nyligen "En karta över oorganiska ternära metallnitrider, "som visas i Naturmaterial . Papperet har en stor stabilitetskarta över de ternära nitriderna, belysa nitridkompositioner där experimentell upptäckt är lovande, och andra kompositioner där nitridbildning skulle vara osannolik. För kemister som försöker skapa nya nitrider i laboratoriet, denna karta kommer att vara ett mycket värdefullt verktyg.

Wenhao Sun, huvudförfattare till tidningen och personalvetare vid LBNL, liknade materialupptäckt med världens utforskning av svunna dagar. "Att segla in i det okända var en mycket riskfylld strävan, "Sun förklarar, "och på samma sätt, utforskning av nya kemiska utrymmen kan också vara riskabelt. Om du går in på labbet och blandar olika element tillsammans, du kanske gör en ny förening. Eller så kanske du inte. Om du inte hittar något nytt material där du letar, det kan vara ett stort slöseri med tid och ansträngning. Kartor hjälper till att vägleda upptäcktsresande, så att de kan navigera bättre. Här, vi byggde en kemisk karta för att styra den undersökande syntesen av nitrider. "

En interaktiv version av kartan visar stabila ternära nitrider markerade i blått, vilket indikerar att de är bra kandidater för experiment.

Annan forskning som finansieras av centret har upptäckt nya sätt att kombinera material för att bilda legeringar, samt att syntetisera specifika materialpolymorfer som kan utgöra grunden för nästa generations halvledare. Den nya nitridforskningen följer flera års undersökning av metastabila material och möjligheten att använda dem i olika tekniker, inklusive halvledare.

Utforska metastabila material

Metastabila material är de som, över tid, kommer att förändras för att bli mer stabil. Ruter, till exempel, är metastabila eftersom de så småningom skulle förvandlas till grafit, en mer stabil polymorf form av kol. Men den tid som tar är avsevärd - miljoner år i detta exempel - så forskare bör inte rabattera användningen av metastabila föreningar.

"Om du bara gör materialdesign med stabila material, "Solen sa, "dina val är begränsade. Men om du börjar tänka på vilka metastabila material som kan göras, du ökar ditt designutrymme. "

"Vårt EFRC -team bestämde sig för att inkludera metastabila föreningar i materialdesign, "tillagda Tumas." Detta arbete visar kraften i samarbeten mellan teoretiker och experimenter, kombinera beräkning, syntetisk, och karaktäriseringsförmåga i ett teammetod. "

Förutom NREL, CU, och LBNL, forskare från Oregon State University och SLAC National Accelerator Laboratory lånade ut sin expertis inom kartläggning, karakteriserande, och förstå de potentiella nya nitriderna. "Det här var mycket ett lagarbete, "sa Sun." Det tog definitivt alla som arbetade tillsammans. "

Innan han påbörjade sitt pågående samarbete med NREL, Sun hade bestämt att metastabila material stod för en betydande del av nitridföreningarna, och publicerade sina fynd nära slutet av 2016. "Efter det skrevs, det blev klart att detta skulle vara ett bra lagarbete för att utforska nitrider, "Sun sa." NREL har tillverkat metastabila nitrider i många år nu. "

Den där, i kombination med NREL:s visade förmåga att syntetisera tunnmetalliska nitridfilmer med mycket metastabilitet (beskrivs i Zakutayevs granskningsartikel från 2016 om detta ämne), inspirerade en artikel om binära nitrider som Sun, Zakutayev, och andra publicerade 2017. Den nyligen publicerade forskningen om ternära nitrider var nästa logiska steg.

Ternära nitriders värld har inte undersökts grundligt eftersom föreningarna - bestående av kväve och två metaller - är svåra att syntetisera. Prognosen för de nya ternära nitriderna förlitade sig på beräkningsmaterialvetenskap, med hjälp av maskininlärningsalgoritmer för att kartlägga tidigare okända utrymmen. Detta påskyndade processen jämfört med den traditionella test-och-fel-metoden.

Fler nitrider i horisonten

Även om kväve är mycket rikligare i jordens atmosfär än syre, det är betydligt lättare för oxider att bilda än nitrider. Lämna en bit järn utanför, till exempel, och så småningom kommer det att rosta, eller oxidera. Det beror på att bindningen mellan syreatomer lätt kan lossna. Men kväveatomer håller hårt.

"Oxider och nitrider har ofta en liknande kemi, "sade Zakutayev, som arbetar med att utveckla nya material för förnybar energiteknik och har en beprövad erfarenhet av syntetisering av nitrider. "Men för varje dokumenterad nitrid, det finns 14 oxider. Om kemin är liknande, det finns ingen anledning att det ska vara många av det ena och få av det andra. Det är en mycket stor upptäcktsmöjlighet. "

Innan forskare kunde kartlägga nitriderna, dock, de behövde först förutse nya nitridmaterial. Med hjälp av beräkningsmaterialvetenskap med hög genomströmning, de ansåg först 6, 000 potentiella nitridföreningar genom att ersätta kända nitrider med nya element. Efter att ha kontrollerat stabiliteten för dessa möjliga nitrider, de förutspådde 203 nya stabila ternära nitridföreningar. Tills nu, endast 213 stabila nitrider var kända för att existera.

De första två ternära nitriderna upptäcktes 1927, och den tredje åtta år senare. Sedan dess, nya nitrider har upptäckts sporadiskt. Denna sats på 203 är det klart största antalet potentiella nya nitrider som identifierats på ett enda år.

"Historiskt sett nitrider upptäcks med en hastighet av tre eller fyra om året, experimentellt sett, sa Zakutayev.

Guidad av kartan, Zakutayev och hans team kunde initialt syntetisera sju nya ternära nitrider i laboratoriet. Flera nitrider har syntetiserats sedan tidningen skrevs.

Syntes bevisar noggrannhet i förutsägelser

"Än så länge, vi slår tusen, sa innehavaren, en forskningsprofessor som har ett gemensamt CU-NREL-utnämning och är medförfattare till den nya uppsatsen. "Varje ternär nitrid vi förutspådde skulle kunna skapa en stabil förening."

Möjligheten att syntetisera de sju nya nitriderna, författarna noterade i tidningen, validerar förutsägelserna om förekomsten av de andra nitriderna "och lyfter fram den värdefulla rollen som upptäckt av beräkningsmaterial spelar för att påskynda undersökande syntes i nya kemiska utrymmen."

Forskningen ger också en annan dimension till det periodiska systemet med element genom att ange en grupp metals benägenhet att bilda stabila eller metastabila ternära nitrider. Kalcium, till exempel, utmärkte sig för sin förmåga att skapa en nitrid. Så gjorde litium. Forskarna kunde också rabattera metaller som inte är användbara vid nitridforskning. "Guld vill inte kombinera med kväve, "Hållare sa, "och att lägga till en annan metall kommer inte att stabilisera den tillräckligt för att få det att hända."

Nu besatt av en större förståelse för nitrider, forskare kan gå vidare med att bestämma deras bästa användningsområden. Nobelpriset för fysik 2014 tilldelades en trio forskare som kombinerade flera lager galliumnitrid för att uppfinna en blå lysdiod. Koppling av deras blå ljus med effektiva fosfor tillät skapandet av långvariga och energieffektiva vita LED-lampor. Nitridteamet ser ännu fler applikationer på - och bortom - horisonten.

"Säkert, dessa material har många möjliga nya funktionella tillämpningar, "Sun sa." Några av dem är halvledare och andra kan vara superledare. Många av dem kanske har applikationer som vi inte ens har drömt om ännu. Det finns många anvisningar för detta. "