Badania pokazują, że naukowcy rozwiązali trwającą dziesięciolecia zagadkę i odkryli niemal niezniszczalną substancję, która może konkurować z diamentem jako najtwardszym materiałem na ziemi.
Naukowcy odkryli, że gdy prekursory węgla i azotu poddano działaniu ekstremalnej temperatury i ciśnienia, powstałe materiały – zwane azotkami węgla – były twardsze niż sześcienny azotek boru, drugi po diamencie najtwardszy materiał.
Przełom otwiera drzwi dla wielofunkcyjnych materiałów do zastosowań przemysłowych, w tym powłok ochronnych do samochodów i statków kosmicznych, narzędzi skrawających o wysokiej wytrzymałości, paneli słonecznych i fotodetektorów – twierdzą eksperci.
Badacze materiałów podejmują próby uwolnienia potencjału azotków węgla od lat 80. XX wieku, kiedy to naukowcy po raz pierwszy zauważyli ich wyjątkowe właściwości, w tym wysoką odporność na ciepło.
Jednak po ponad trzydziestu latach badań i wielokrotnych próbach ich syntezy nie odnotowano żadnych wiarygodnych wyników.
Teraz międzynarodowy zespół naukowców – kierowany przez badaczy z Centrum Nauki w Ekstremalnych Warunkach na Uniwersytecie w Edynburgu oraz ekspertów z Uniwersytetu w Bayreuth w Niemczech i Uniwersytetu w Linköping w Szwecji – w końcu dokonał przełomu.
Zespół poddał różne formy prekursorów węgla i azotu ciśnieniu od 70 do 135 gigapaskali – czyli około milion razy większe od ciśnienia atmosferycznego – jednocześnie podgrzewając je do temperatury ponad półtora tysiąca stopni Celsjusza.
Aby zidentyfikować układ atomowy związków w tych warunkach, próbki naświetlono intensywną wiązką promieniowania rentgenowskiego w trzech akceleratorach cząstek – Europejskim Ośrodku Badawczym Synchrotronów we Francji, Deutsches Elektronen-Synchrotron w Niemczech i Advanced Photon Source z siedzibą w Stany Zjednoczone.
Naukowcy odkryli, że trzy związki azotku węgla mają elementy niezbędne do uzyskania supertwardości.
Co ciekawe, wszystkie trzy związki zachowały swoje właściwości diamentowe po powrocie do warunków ciśnienia i temperatury otoczenia.
Dalsze obliczenia i eksperymenty sugerują, że nowe materiały mają dodatkowe właściwości, w tym fotoluminescencję i wysoką gęstość energii, dzięki której można zmagazynować dużą ilość energii w małej ilości masy.
Naukowcy twierdzą, że potencjalne zastosowania tych ultranieściśliwych azotków węgla są ogromne, co potencjalnie stawia je jako najlepsze materiały inżynieryjne, mogące konkurować z diamentami.
Badania, opublikowane w Advanced Materials, zostały sfinansowane ze środków programu UKRI FLF oraz europejskich grantów badawczych.
Dr Dominique Laniel, Future Leaders Fellow, Instytut Fizyki Materii Skondensowanej i Układów Złożonych, Szkoła Fizyki i Astronomii Uniwersytetu w Edynburgu, powiedziała: „Po odkryciu pierwszego z tych nowych materiałów z azotku węgla nie mogliśmy uwierzyć, że udało nam się wyprodukować takie materiały naukowcy marzyli od trzydziestu lat. Materiały te stanowią silną zachętę do wypełnienia luki między syntezą materiałów pod wysokim ciśnieniem a zastosowaniami przemysłowymi”.
Dr Florian Trybel, adiunkt na Wydziale Fizyki, Chemii i Biologii Uniwersytetu w Linköping, powiedział: „Materiały te są nie tylko wyjątkowe pod względem wielofunkcyjności, ale pokazują, że istotne technologicznie fazy można odzyskać z ciśnienia syntezy równoważnego warunki znalezione tysiące kilometrów we wnętrzu Ziemi. Jesteśmy głęboko przekonani, że te wspólne badania otworzą nowe możliwości w tej dziedzinie.”