Создан неразрушаемый материал, почти такой же твердый, как алмаз
Хотя ученые еще в 1980-х годах признали потенциал нитридов углерода, в том числе высокую термостойкость, их создание — это совсем другая история.
На это ушло более трех десятилетий, но ученые считают, что им удалось создать материал, который практически невозможно разрушить и который может соперничать с алмазом как с самым твердым веществом на планете.
Международная группа ученых под руководством исследователей из Эдинбургского университета совершила прорыв, синтезировав нитриды углерода, которые более прочны, чем кубический нитрид бора – в настоящее время второй по твердости материал после алмаза.
«После открытия первого из этих новых материалов из нитрида углерода мы не могли поверить, что смогли создать материалы, о которых исследователи мечтали последние три десятилетия», — сказал Доминик Ланиэль. «Эти материалы создают мощный стимул для преодоления разрыва между синтезом материалов под высоким давлением и промышленным применением».
Хотя ученые еще в 1980-х годах признали потенциал нитридов углерода, в том числе высокую термостойкость, их создание — это совсем другая история. Фактически, до сих пор не было проведено никаких заслуживающих доверия исследований по их синтезу.
«Нитриды углерода с трехмерным каркасом из тетраэдров CN4 являются одним из величайших стремлений материаловедения», — отмечают исследователи.
Научная команда, в которую также входили эксперты по материалам из Университета Байройта (Германия) и Университета Линчепинга (Швеция), добилась этого, подвергнув различные формы прекурсоров углерода и азота давлению в 70–135 гигапаскалей (или в миллион раз превышающему наше атмосферное давление). одновременно нагревая их до температуры более 1500 °C.
Затем расположение атомов было исследовано с помощью рентгеновского луча в Европейском исследовательском центре синхротронов во Франции, в Deutsches Elektronen-Synchrotron в Германии и в Advanced Photon Source в США.
Этот анализ показал, что три из синтезированных соединений нитрида углерода имели структуры, необходимые для создания сверхтвердого материала. Затем ученые были приятно удивлены, увидев, что трио соединений сохранило свои сверхтвердые свойства, когда они остыли и вернулись к атмосферному давлению.
Команда считает, что этот прорыв открывает путь к множеству применений, включая защитные покрытия для транспортных средств и космических кораблей, мощные режущие инструменты и фотодетекторы.
«Эти материалы не только выдающиеся в своей многофункциональности, но и показывают, что технологически важные фазы могут быть восстановлены при давлении синтеза, эквивалентном условиям, обнаруженным на тысячах километров в недрах Земли», — сказал Флориан Трибель, участник исследования. «Мы твердо верим, что это совместное исследование откроет новые возможности в этой области».
Хотя еще неясно, насколько велики его возможности, было обнаружено, что несжимаемые соединения нитрида углерода обладают фотолюминесценцией, пьезоэлектрическими свойствами и высокой плотностью энергии — это значит, что они способны хранить большое количество энергии в небольшом количестве массы.
«Исследования физических свойств показывают, что эти прочно ковалентно связанные материалы, несжимаемые и сверхтвердые, также обладают высокой плотностью энергии, пьезоэлектрическими и фотолюминесцентными свойствами», — отметили исследователи. «Новые нитриды углерода уникальны среди материалов, поскольку, полученные при давлении выше 100 ГПа, они могут быть восстановлены на воздухе в условиях окружающей среды».
Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.