Nyskabt ultrahårdt materiale konkurrerer med diamant

Forskere har løst et årtier langt puslespil og afsløret et næsten ubrydeligt stof, der kan konkurrere med diamant som det hårdeste materiale på Jorden. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Advanced Materials .

Forskere fandt ud af, at når kulstof- og nitrogenprækursorer blev udsat for ekstrem varme og tryk, var de resulterende materialer - kendt som kulnitrider - hårdere end kubisk bornitrid, det næsthårdeste materiale efter diamant.

Gennembruddet åbner døre for multifunktionelle materialer, der kan bruges til industrielle formål, herunder beskyttende belægninger til biler og rumskibe, højudholdende skæreværktøjer, solpaneler og fotodetektorer, siger eksperter.

Materialeforskere har forsøgt at frigøre potentialet for carbonnitrider siden 1980'erne, hvor videnskabsmænd først bemærkede deres exceptionelle egenskaber, herunder høj modstandsdygtighed over for varme.

Men efter mere end tre årtiers forskning og flere forsøg på at syntetisere dem, blev der ikke rapporteret nogen troværdige resultater.

Nu har et internationalt hold af videnskabsmænd – ledet af forskere fra Center for Videnskab ved ekstreme forhold ved University of Edinburgh og eksperter fra University of Bayreuth, Tyskland og University of Linköping, Sverige – endelig opnået et gennembrud.

Holdet udsatte forskellige former for kulstof-nitrogen-prækursorer for tryk på mellem 70 og 135 gigapascal - omkring 1 million gange vores atmosfæriske tryk - mens de opvarmede det til temperaturer på mere end 1.500 °C.

For at identificere atomarrangementet af forbindelserne under disse forhold blev prøverne belyst af en intens røntgenstråle ved tre partikelacceleratorer - European Synchrotron Research Facility i Frankrig, Deutsches Elektronen-Synchrotron i Tyskland og Advanced Photon Source baseret i USA.

Forskere opdagede, at tre carbonnitridforbindelser viste sig at have de nødvendige byggesten til superhårdhed.

Bemærkelsesværdigt nok bevarede alle tre forbindelser deres diamantlignende egenskaber, når de vendte tilbage til omgivende tryk og temperaturforhold.

Yderligere beregninger og eksperimenter tyder på, at de nye materialer indeholder yderligere egenskaber, herunder fotoluminescens og høj energitæthed, hvor en stor mængde energi kan lagres i en lille mængde masse.

Forskere siger, at de potentielle anvendelser af disse ultra-ukomprimerbare carbonnitrider er enorme, hvilket potentielt placerer dem som ultimative ingeniørmaterialer til at konkurrere med diamanter.

"Efter opdagelsen af ​​det første af disse nye kulnitridmaterialer, var vi vantro til at have produceret materialer, forskere har drømt om i de sidste tre årtier. Disse materialer giver et stærkt incitament til at bygge bro mellem højtryksmaterialesyntese og industrielle anvendelser, " siger Dr. Dominique Laniel.

"Disse materialer er ikke kun enestående i deres multifunktionalitet, men viser, at teknologisk relevante faser kan genvindes fra et syntesetryk svarende til de forhold, der findes tusindvis af kilometer i Jordens indre. Vi er overbeviste om, at denne kollaborative forskning vil åbne op for nye muligheder for marken," siger Dr. Florian Trybel.

Flere oplysninger: Dominique Laniel et al., Syntese af ultra-ukomprimerbare og genvindelige kulstofnitrider med CN4-tetraedre, avancerede materialer (2023). DOI:10.1002/adma.202308030

Journaloplysninger: Avanceret materiale

Leveret af University of Edinburgh