Zespół naukowców z University of Edinburgh odkrył, że gdy prekursory węgla i azotu zostaną poddane działaniu ekstremalnej temperatury i ciśnienia, powstałe materiały – zwane azotkami węgla – są twardsze niż sześcienny azotek boru (borazon), drugi po diamencie najtwardszy materiał.
Czytaj też: Oto najdroższy diament na świecie. Sprzedał się w dwie minuty
Przełom otwiera drzwi dla wielofunkcyjnych materiałów do zastosowań przemysłowych, w tym powłok ochronnych do samochodów i statków kosmicznych, narzędzi skrawających o wysokiej wytrzymałości, paneli słonecznych i fotodetektorów. Szczegóły opisano w czasopiśmie Advanced Materials.
Dr Dominique Laniel z University of Edinburgh mówi:
Po odkryciu pierwszego z tych nowych azotków węgla nie mogliśmy uwierzyć, że udało nam się wyprodukować materiały, o których badacze marzyli przez ostatnie trzydzieści lat. Stanowią one silną zachętę do wypełnienia luki między syntezą materiałów pod wysokim ciśnieniem a zastosowaniami przemysłowymi.
Diament będzie musiał oddać tytuł najtwardszego materiału na Ziemi?
Naukowcy już w latach 80. ubiegłego wieku dostrzegli potencjał azotków węgla, w tym ich wysoką odporność na ciepło. Ale po ponad 30 latach badań i wielokrotnych próbach syntezy nie odnotowano żadnych sukcesów na tym polu. Teraz nastąpił przełom.
Czytaj też: Ziemia ma przed nami coraz mniej tajemnic. Najnowsze poznaliśmy dzięki diamentom
Uczeni poddali różne formy prekursorów węgla i azotu ciśnieniu od 70 do 135 GPa (gigapaskali), czyli około milion razy większe od ciśnienia atmosferycznego – jednocześnie podgrzewając je do temperatury ponad 1500oC. Aby zidentyfikować układ atomowy związków w tych warunkach, próbki naświetlano intensywną wiązką promieniowania rentgenowskiego w trzech akceleratorach cząstek – ESRF we Francji, DESY w Niemczech i APS w USA.
Analiza wykazała, że trzy z syntetyzowanych związków azotku węgla miały struktury wymagane do uzyskania przełomowego supertwardego materiału. Miłym zaskoczeniem była obserwacja, że te trzy związki zachowały swoje niezwykłe właściwości po ochłodzeniu i powrocie do “normalnego” ciśnienia.
Dalsze obliczenia i eksperymenty sugerują, że nowe materiały mają dodatkowe właściwości, w tym fotoluminescencję i wysoką gęstość energii, dzięki której mogą zmagazynować dużą ilość energii w małej ilości masy. Potencjalne zastosowania tych ultratwardych azotków węgla są ogromne, co potencjalnie stawia je jako najtwardsze dostępne materiały inżynieryjne, mogące konkurować z diamentami.
Dr Florian Trybel z University of Linköping dodaje:
Materiały te wyróżniają się nie tylko swoją wielofunkcyjnością, ale pokazują, że istotne technologicznie fazy można odzyskać z ciśnienia syntezy równoważnego warunkom panującym tysiące kilometrów we wnętrzu Ziemi.
Nowe azotki węgla są wyjątkowe wśród materiałów wysokociśnieniowych, ponieważ powstając przy ciśnieniu powyżej 100 GPa, można je utrzymać w stabilnej postaci w powietrzu w warunkach otoczenia.