Разработчики утверждают, что новый материал обладает исключительной прочностью и устойчивостью к разрушению, что открывает широкие возможности для его использования, начиная от фотодетекторов и заканчивая защитными покрытиями для автомобилей и обшивки космических аппаратов.
Алмаз — самый твердый минерал в природе, а еще он обладает наиболее высокой теплопроводностью среди всех твердых тел. Этот материал используют в микроэлектронике, фотонике, лазерной технике, детекторах ионизирующего излучения. Правда, у алмаза есть один недостаток. Хотя его структура очень твердая, в то же время она достаточно хрупкая (в разных направлениях кристалла его прочность неодинакова). Поэтому области применения алмаза ограничены.
В лабораториях ученые на протяжении длительного времени работают над разработкой материалов с высокой прочностью, пригодных для эксплуатации в условиях экстремальных температур, давлений, скоростей, напряжений и интенсивного воздействия радиации.
В 1989 году американские физики Марвин Коэн ( Marvin Cohen) и Эми Лю (Amy Liu) экспериментировали с нитридом углерода — бинарным соединением углерода и азота ( C3N4), — для создания нового сверхтвердого материала ученые стремились к синтезу. Они полагали, что атомы углерода и азота, находящиеся в соотношении 3:4, способны формировать особенно короткие и прочные связи в устойчивой кристаллической структуре. Согласно расчетам, выполненным американскими исследователями, характеристики нового вещества должны быть сопоставимы с твердостью алмаза. Следует отметить, что нитриды представляют собой химические соединения азота с металлами и неметаллами.
Опыты, проведенные Коэном и Лю, не соответствовали первоначальным ожиданиям, однако вызвали большой интерес у научного сообщества. Позднее было предсказано наличие нескольких вариантов нитрида углерода. Один из них — нитрид углерода, имеющий трехмерную структуру, образованную тетраэдрами ( CN4) — по мнению экспертов, этот материал является «величайшей надеждой материаловедения». Это объясняется тем, что его твердость превысит или будет сопоставима с твердостью алмаза.
В течение трех десятилетий ученые неоднократно пытались создать новый материал. Однако этот процесс оказался сложным. Основная трудность синтеза заключается в термической нестабильности нитрида углерода, который разлагается при 800 градусов Цельсия. Поэтому требовалось найти решение, позволяющее преодолеть это ограничение.
Спустя 30 лет прорыв в этой области, наконец, произошел. Международная команда исследователей под руководством Доминика Ланиеля ( Dominique Laniel) ученые из Эдинбургского университета (Шотландия) сообщили об успешном синтезе трех новых соединений нитрида углерода: tI14-C3N4, hP126-C3N4 и tI24-CN2.
Используя эти соединения, ученые создали материал, сравнимый по твердости с алмазом. Его твердость нитрида бора с кубической микроструктурой — синтетического сверхтвердого материала, получаемого из гексагональной модификации нитрида бора ( BN) образуется в результате воздействия высоких давлений и температур. Он занимает второе место по твердости после алмаза.
Новые соединения были получены Ланиелем и его командой благодаря воздействию на различные формы прекурсоров нитрида углерода под давлением от 70 до 135 гигапаскалей (что в миллион раз больше атмосферного давления) и при одновременном нагреве до температуры, превышающей 1500 градусов Цельсия.
Затем с использованием рентгеновских установок, расположенных на трех ускорителях частиц — Европейском центре синхронного излучения во Франции и немецком синхротроне DESY и американского центра синхротронного излучения APS — исследованием ученых было установлено расположение атомов в твердых кристаллических веществах и проанализирована их атомная структура.
Согласно результатам анализа, три синтезированных соединения нитрида углерода (tI14-C3N4, hP126-C3N4 и tI24-CN2) демонстрируют структуру, перспективную для разработки сверхтвердых материалов. Дальнейшие исследования подтвердили, что эти соединения потенциально обладают пьезоэлектрическими и фотолюминесцентными свойствами, а также способны к накоплению значительного количества энергии, характеризуясь при этом небольшим весом.
«Эти соединения демонстрируют сверхтвердые свойства даже после охлаждения и при обычном атмосферном давлении. Нитриды углерода синтезируются под воздействием давления, превышающего 100 гигапаскалей, и могут быть извлечены в окружающую среду при комнатной температуре [без разрушения]», — пояснил Ланиель.
Авторы уверены, что их разработка предоставит перспективные решения в областях, где ранее алмазы не использовались или применялись в ограниченном объеме. В частности, Ланиель считает, что новый сверхтвердый материал, полученный на основе трех соединений нитрида углерода, позволит создавать защитные покрытия для автомобилей, инновационную обшивку для космических аппаратов, фотодетекторы и высокопроизводительные режущие инструменты.
Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Materials.