Разработчики утверждают, что новый материал почти неразбиваем и его можно использовать в самых разных областях — от фотодетекторов до защитных покрытий автомобилей и обшивки космических кораблей.
Алмаз — самый твердыйМинерал, обладающий наивысшей теплопроводностью среди всех твердых тел, применяется в микроэлектронике, фотонике, лазерной технике и детекторах ионизирующего излучения. Недостаток алмаза — хрупкость.
В лабораториях ученые стремятся разработать прочные материалы для эксплуатации в условиях экстремальных температур, давлений, скоростей, напряжений и высокой радиации.
В 1989 году американские физики Марвин Коэн и… Marvin Cohen) и Эми Лю (Amy Liu) экспериментировалиС углеродним нитридом — веществом, образованным из углерода и азота. C3N4Исследователи рассчитывают синтезировать новый сверхтвердый материал из атомов углерода и азота в соотношении 3:4. По их утверждению, такие атомы могут образовывать короткие и прочные связи в стабильной кристаллической решетке. Согласно расчетам американских ученых, новое вещество может быть таким же твердым, как алмаз. Стоит отметить, что нитриды — это соединения азота с металлами и неметаллами.
Эксперименты Коэна и Лю не дали ожидаемых результатов, но заинтересовали многих исследователей. Впоследствии предсказали наличие нескольких вариантов модификаций нитрида углерода. CN4Специалисты окрестили данный материал «величайшей надеждой материаловедения» из-за будущей твердости, которая превзойдет твердость алмаза или сравняется с ней.
Тридцать лет ученые пытались создать новый материал. Синтез давался непросто из-за термической неустойчивости нитрида углерода (разлагается при 800 градусах Цельсия). Необходимо было придумать способ преодолеть это препятствие.
Прорывом в этой области стала знаменательной вехой спустя 30 лет исследований. Межнациональный коллектив учёных во главе с Домиником Ланиелем ( Dominique LanielУченые из Эдинбургского университета сообщили о создании трех новых соединений нитрида углерода: tI14-C3N4, hP126-C3N4 и tI24-CN2.
В результате соединениях учёные создали материал, равный по прочности алмазу. нитрида бораМатериал с кубической микроструктурой – искусственно созданный сверхпрочный материал на основе гексагональной формы нитрида бора. BNПод воздействием высокого давления и температуры образуется этот материал, который является самым прочным после алмаза.
Ланиель с соратниками изготовил новые соединения, воздействуя на разные виды прекурсоров нитрида углерода давлением от 70 до 135 гигапаскалей и одновременно нагревая их до температуры выше 1500 градусов Цельсия.
После этого при помощи рентгеновских установок на трёх ускорителях частиц — Европейском центре синхронного излучения во Франции, а также немецком синхротроне … DESY и американского центра синхротронного излучения APSУченые изучали размещение атомов в твердых кристаллах и их строение.
Анализ показал, что три синтезированных соединения нитрида углерода (tI14-C3N4, hP126-C3N4 и tI24-CN2) обладают подходящей структурой для создания сверхтвердого материала. Дальнейшие исследования выявили пьезоэлектрические и фотолюминесцентные свойства этих соединений, а также их способность накапливать большое количество энергии при малой массе.
Эти соединения сохраняют сверхтвёрдые свойства и после охлаждения при обычном давлении. Новые нитриды углерода получают под воздействием давления выше 100 гигапаскалей, их можно извлекать на открытый воздух при комнатной температуре без разрушения. пояснил Ланиель.
Авторы считают, что исследование откроет новые возможности в разных областях, где алмазы применялись редко или вообще не использовались. Ланиель уверен, что сверхтвёрдый материал на основе трёх соединений нитрида углерода позволит создавать защитные покрытия для автомобилей и обшивку для космических кораблей, а также фотодетекторы и мощные режущие инструменты.
Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Materials.