Недавно созданный сверхтвердый материал может конкурировать с алмазом

Ученые решили загадку, которая длилась десятилетиями, и открыли практически неразрушимое вещество, которое может соперничать с алмазом как самый твердый материал на Земле. Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.

Исследователи обнаружили, что когда предшественники углерода и азота подвергались воздействию экстремальной температуры и давления, полученные материалы, известные как нитриды углерода, были прочнее, чем кубический нитрид бора, второй по твердости материал после алмаза.

По словам экспертов, этот прорыв открывает двери для многофункциональных материалов, которые будут использоваться в промышленных целях, включая защитные покрытия для автомобилей и космических кораблей, высокопрочные режущие инструменты, солнечные панели и фотодетекторы.

Исследователи материалов пытались раскрыть потенциал нитридов углерода с 1980-х годов, когда ученые впервые заметили их исключительные свойства, в том числе высокую устойчивость к нагреву.

Однако после более чем трех десятилетий исследований и многочисленных попыток их синтеза никаких заслуживающих доверия результатов получено не было.

Теперь международная группа ученых, возглавляемая исследователями из Центра науки об экстремальных условиях Эдинбургского университета и экспертами из Университета Байройта, Германия, и Университета Линчепинга, Швеция, наконец добилась прорыва.

Команда подвергла различные формы прекурсоров углерода и азота давлению от 70 до 135 гигапаскалей — примерно в 1 миллион раз больше нашего атмосферного давления — и нагрела их до температуры более 1500°C.

Для идентификации атомного расположения соединений в этих условиях образцы освещались интенсивным рентгеновским лучом на трех ускорителях частиц — Европейском центре синхротронных исследований во Франции, Deutsches Elektronen-Synchrotron в Германии и Advanced Photon Source, базирующемся в Соединенные Штаты.

Исследователи обнаружили, что три соединения нитрида углерода содержат необходимые строительные блоки для сверхтвердости.

Примечательно, что все три соединения сохранили свои алмазоподобные свойства, когда вернулись в условия давления и температуры окружающей среды.

Дальнейшие расчеты и эксперименты показывают, что новые материалы обладают дополнительными свойствами, включая фотолюминесценцию и высокую плотность энергии, при которых большое количество энергии может храниться в небольшом количестве массы.

Исследователи говорят, что потенциальное применение этих сверхнесжимаемых нитридов углерода обширно, что потенциально позволяет позиционировать их как совершенные конструкционные материалы, способные конкурировать с алмазами.

«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. Эти материалы дают мощный стимул для преодоления разрыва между синтезом материалов высокого давления и промышленным применением», - говорит Доминик Ланиэль.

«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. Мы твердо верим, что это совместное исследование откроет новые возможности. для поля», — говорит Флориан Трибель.