Розробка нового матеріалу, по твердості порівнянного з алмазом, знаменує собою значний прорив в матеріалознавстві. Ця інновація, в основному заснована на нітриді вуглецю (C3N4), бінарній сполуці вуглецю та азоту, має потенційні сфери застосування, починаючи від захисних покриттів для транспортних засобів та космічних апаратів до фотодетекторів та передових ріжучих інструментів. Результати роботи опубліковані в журналі Advanced Materials.
Зображення однієї з алмазних ковадл, отримане за допомогою оптичного мікроскопа; один зі зразків нітриду вуглецю C3N4 вм’яв поверхню ковадла / © Dominique Laniel
Передісторія та проблеми
Алмаз, відомий як найтвердіший природний мінерал, також може похвалитися найвищою теплопровідністю серед твердих тіл, що знаходить застосування в мікроелектроніці, фотоніці, лазерних технологіях і детекторах випромінювання. Однак його крихкість і анізотропна міцність обмежують його практичність.
Пошуки міцних матеріалів, здатних витримувати екстремальні умови, тривають. У 1989 році фізики Марвін Коен і Емі Лю зосередилися на нітриді вуглецю, висунувши теорію, що при співвідношенні вуглецю і азоту 3:4 можна отримати речовину, тверду як алмаз. Хоча їхні початкові експерименти не виправдали очікувань, вони викликали широкий інтерес до потенціалу нітриду вуглецю.
Прорив у синтезі нітриду вуглецю
Після трьох десятиліть досліджень команда під керівництвом Домініка Ланіеля з Единбурзького університету оголосила про синтез трьох нових сполук нітриду вуглецю: tI14-C3N4, hP126-c3n4 і ti24-CN2. Ці сполуки були отримані в екстремальних умовах тиску 70-135 гігапаскалей і температур, що перевищують 1500 градусів Цельсія.
Використовуючи передові рентгенівські установки на трьох прискорювачах частинок, команда проаналізувала атомні структури цих сполук, підтвердивши їх придатність для створення надтвердого матеріалу. Примітно, що цей новий матеріал перевершує за твердістю кубічний нітрид бору, який раніше був другим за твердістю матеріалом після алмазу.
Властивості і застосування
Нові сполуки нітриду вуглецю мають не тільки надтвердість, але й потенційні п’єзоелектричні та фотолюмінесцентні властивості. Вони можуть зберігати значну кількість енергії при відносно невеликій масі і зберігати свої надтверді характеристики навіть після охолодження і при нормальному тиску навколишнього середовища.
Ця новаторська розробка відкриває можливості в різних областях, де використання алмазів обмежена або використовується в недостатній мірі. Ланіель та його колеги розглядають такі області застосування, як захисні покриття для автомобілів, новий тип обшивки космічних апаратів, фотодетектори та високопродуктивні ріжучі інструменти.
Ці результати являють собою значний крок вперед у матеріалознавстві, що обіцяє революціонізувати промисловість внаслідок застосування цього надтвердого матеріалу.