Вчені синтезували матеріал майже такий самий твердий, як алмаз

За словами розробників, новий матеріал практично неможливо розбити, а область його застосування може бути різною: від фотодетекторів до захисних покриттів автомобілів та обшивки космічних апаратів.

Алмаз — найтвердіший мінерал у природі, а ще він має найвищу теплопровідність серед усіх твердих тіл. Цей матеріал використовують у мікроелектроніці, фотоніці, лазерній техніці, детекторах іонізуючого випромінювання. Щоправда, алмаз має один недолік. Хоча його структура дуже тверда, водночас вона досить крихка (у різних напрямках кристала його міцність неоднакова). Тому сфери застосування алмазу обмежені.  

Вчені в лабораторіях давно намагаються створити досить тверді матеріали, які можна було б використовувати при екстремальних температурах, тисках, швидкостях, напругах, сильній радіації.

У 1989 році американські фізики Марвін Коен (Marvin Cohen) та Емі Лю (Amy Liu), — щоб синтезувати новий надтвердий матеріал. Вчені стверджували, що атоми вуглецю та азоту у співвідношенні 3:4 можуть утворювати особливо короткі та сильні зв’язки у стабільних кристалічних ґратах. За розрахунками, проведеними американськими дослідниками, нова речовина має бути такою ж твердою, як алмаз. Зазначимо, що нітриди — хімічні сполуки азоту з металами та неметалами. з нітридом вуглецю — бінарною сполукою вуглецю та азоту.

Досліди Коена і Лю не виправдали очікувань, зате привернули увагу багатьох вчених. Надалі було передбачено існування кількох модифікацій нітриду вуглецю. Одну з них — нітрид вуглецю із тривимірними каркасами тетраедрів (CN4) — фахівці назвали «найбільшою надією матеріалознавства». Тому що цей матеріал матиме твердість, що перевищує твердість алмазу або можна порівняти з нею. 

Протягом трьох десятиліть вчені робили низку спроб синтезувати новий матеріал. Щоправда, це давалося непросто. Складність синтезу переважно обумовлена ​​термічною нестійкістю нітриду вуглецю (відбувається розкладання за нормальної температури 800 градусів Цельсія). Потрібно було знайти спосіб, щоб обійти це обмеження.  

Через 30 років прорив у цій галузі нарешті стався. Міжнародна команда дослідників під керівництвом Домініка Ланіеля (Dominique Laniel) з Единбурзького університету (Шотландія) розповіла, що їм вдалося синтезувати три нові сполуки нітриду вуглецю: tI14-C3N4, hP126-C3N4 та tI24-CN2. 

На основі цих сполук вчені розробили матеріал, який за твердістю може конкурувати з алмазом. Він твердіший нітриду бору з кубічною мікроструктурою — синтетичного надтвердого матеріалу, що отримується з гексагональної модифікації нітриду бору (BN >) внаслідок впливу на нього високих тисків та температур. Це другий за твердістю матеріал після алмазу. 

Ланієль та його колеги отримали нові сполуки, піддаючи різні форми прекурсорів нітриду вуглецю тиску в 70-135 гігапаскалів (що в мільйон разів перевищує атмосферний тиск) і одночасно нагріваючи їх до температури понад 1500 градусів за Цельсієм. 

Потім за допомогою рентгенівських установок на трьох прискорювачах частинок — Європейського центру синхронного випромінювання у Франції, німецького синхротрону DESY та американського центру синхротронного випромінювання — вчені досліджували розташування атомів у твердих кристалічних речовинах та їхню атомну структуру.

Аналіз показав, що три синтезовані сполуки нітриду вуглецю (tI14-C3N4, hP126-C3N4 та tI24-CN2) мають відповідну структуру для створення надтвердого матеріалу. Додаткові дослідження виявили, що ці сполуки можуть мати п’єзоелектричні та фотолюмінесцентні властивості, а також здатні накопичувати велику кількість енергії при відносно малій масі.

«Крім того, ці сполуки зберігають свої надтверді властивості навіть після охолодження та в умовах нормального тиску навколишнього середовища. Нові нітриди вуглецю отримують в результаті впливу тиску вище 100 гігапаскалів, їх можна витягти на відкрите повітря при кімнатній температурі [без руйнування]», — пояснив Ланіель.

На думку авторів, їхня робота відкриє нові можливості в різних областях, де не застосовували алмази або використовували їх незначно. Зокрема, Ланіель вважає, що за допомогою нового надтвердого матеріалу, створеного на основі трьох сполук нітриду вуглецю, можна буде виготовляти захисні покриття для автомобілів та новий вид обшивки для космічних кораблів, а також фотодетектори та потужні різальні інструменти. Результати роботи опубліковані в журналі Advanced Materials.