Forskare har löst ett decennier långt pussel och avslöjat ett nästan okrossbart ämne som kan konkurrera med diamant som det hårdaste materialet på jorden. Forskningen publiceras i tidskriften Advanced Materials .
Forskare fann att när kol- och kväveprekursorer utsattes för extrem värme och tryck, var de resulterande materialen – kända som kolnitrider – segare än kubisk bornitrid, det näst hårdaste materialet efter diamant.
Genombrottet öppnar dörrar för multifunktionella material som kan användas för industriella ändamål, inklusive skyddande beläggningar för bilar och rymdskepp, slitstarka skärverktyg, solpaneler och fotodetektorer, säger experter.
Materialforskare har försökt att frigöra potentialen hos kolnitrider sedan 1980-talet, då forskare först märkte deras exceptionella egenskaper, inklusive hög motståndskraft mot värme.
Men efter mer än tre decennier av forskning och flera försök att syntetisera dem, rapporterades inga trovärdiga resultat.
Nu har ett internationellt team av forskare – ledda av forskare från Center for Science at Extreme Conditions vid University of Edinburgh och experter från University of Bayreuth, Tyskland och University of Linköping, Sverige – äntligen fått ett genombrott.
Teamet utsatte olika former av kolkväveprekursorer för tryck på mellan 70 och 135 gigapascal – cirka 1 miljon gånger vårt atmosfärstryck – samtidigt som de värmde upp det till temperaturer på mer än 1 500 °C.
För att identifiera föreningarnas atomarrangemang under dessa förhållanden belystes proverna av en intensiv röntgenstråle vid tre partikelacceleratorer – European Synchrotron Research Facility i Frankrike, Deutsches Elektronen-Synchrotron i Tyskland och Advanced Photon Source baserad i USA.
Forskare upptäckte att tre kolnitridföreningar visade sig ha de nödvändiga byggstenarna för superhårdhet.
Anmärkningsvärt nog behöll alla tre föreningarna sina diamantliknande egenskaper när de återgick till omgivningstryck och temperaturförhållanden.
Ytterligare beräkningar och experiment tyder på att de nya materialen innehåller ytterligare egenskaper inklusive fotoluminescens och hög energitäthet, där en stor mängd energi kan lagras i en liten mängd massa.
Forskare säger att de potentiella användningsområdena för dessa ultrainkompressibla kolnitrider är enorma, vilket potentiellt kan positionera dem som ultimata tekniska material för att konkurrera med diamanter.
"Vid upptäckten av det första av dessa nya kolnitridmaterial, var vi tveksamma över att ha producerat material som forskare har drömt om under de senaste tre decennierna. Dessa material ger starka incitament att överbrygga gapet mellan högtrycksmaterialsyntes och industriella tillämpningar, säger Dr Dominique Laniel.
"Dessa material är inte bara enastående i sin multifunktionalitet, utan visar att tekniskt relevanta faser kan återvinnas från ett syntestryck som motsvarar de förhållanden som finns tusentals kilometer i jordens inre. Vi tror starkt på att denna samarbetsforskning kommer att öppna upp nya möjligheter för fältet", säger Dr Florian Trybel.
Mer information: Dominique Laniel et al, Synthesis of Ultra-Incompressible and Recoverable Carbon Nitrides med CN4 Tetrahedra, Avancerade material (2023). DOI:10.1002/adma.202308030
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av University of Edinburgh
