После более чем трех десятилетий работы ученые полагают, что им удалось создать практически неразрушимый материал, который может конкурировать с алмазом как самое твердое вещество на Земле. Международная группа во главе с исследователями из Центра изучения экстремальных условий Эдинбургского университета совершила прорыв, синтезировав прекурсоры углерода и азота для создания нитрида углерода, который тверже кубического нитрида бора, который в настоящее время является вторым по твердости материалом после алмаза.
Доминик Ланиэль из Эдинбургского университета сказал: «Открывая первый новый материал из нитрида углерода, мы не верим, что материал, о котором исследователи мечтали последние три десятилетия, наконец-то доступен. Эти материалы дают мощный импульс для преодоления разрыва между синтезом материалов высокого давления и промышленным применением».
Хотя ученые признали потенциал карбонитридов еще в 1980-х годах, в том числе их высокую термостойкость, их создание — это совсем другая история. Фактически до сих пор не проводилось заслуживающих доверия исследований по их синтезу.
В исследовательском отчете исследователи отметили: «Карбонитриды с трехмерным каркасом из тетраэдров CN4 — большое желание материаловедения».
Исследовательская группа, в которую также входили эксперты по материалам из Университета Байройта в Германии и Университета Линчёпинга в Швеции, достигла этого, подвергнув различные формы прекурсоров углерода и азота давлению в 70–135 гигапаскалей (или в один миллион раз атмосферное давление), нагревая их до более чем 1500°C (2732°F).
Затем расположение атомов было исследовано с использованием рентгеновских лучей в Европейском исследовательском центре синхротронов во Франции, Немецком электронном синхротроне в Германии и Усовершенствованном источнике фотонов в США.
Анализ показал, что синтезированные соединения нитрида углерода содержат три структуры, необходимые для создания прорывных сверхтвердых материалов. Затем ученые были удивлены, обнаружив, что три соединения сохранили свои сверхтвердые свойства после охлаждения и возвращения к атмосферному давлению.
Команда считает, что этот прорыв открывает путь к широкому использованию, включая защитные покрытия для транспортных средств и космических кораблей, мощные режущие инструменты и фотодетекторы.
«Эти материалы не только превосходны в своей универсальности, но и показывают, что технологически важные фазы могут быть извлечены из условий синтетического давления, эквивалентных тысячам километров внутри Земли. Мы убеждены, что это совместное исследование откроет новые возможности в этой области», — говорит Флориан Трибель, доцент Университета Линчёпинга.
Хотя функциональный объем этого несжимаемого соединения нитрида углерода еще не известен, исследователи также обнаружили, что это соединение обладает фотолюминесцентными, пьезоэлектрическими свойствами и свойствами высокой плотности энергии, что позволяет ему хранить большое количество энергии при небольшом количестве массы.
В отчете об исследовании исследователи заявили: «Исследования физических свойств показывают, что эти материалы с сильными ковалентными связями являются сверхнесжимаемыми и сверхтвердыми, а также обладают высокой плотностью энергии, пьезоэлектрическими и фотолюминесцентными свойствами. Новые карбонитриды уникальны среди материалов высокого давления, поскольку они производятся при давлениях выше 100 ГПа и могут быть восстановлены в условиях окружающей среды на воздухе».
Исследование было опубликовано в журнале Advanced Materials.