التطوير الناجح لمواد صلبة مثل الماس

[إعلان 1]

لا يزال الماس هو المادة الأكثر صلابة المعروفة في العالم . إنها تحتل مكانة رائدة في مجال الأدوات اللازمة للمهام الأكثر صعوبة، من شفرات المنشار إلى أجزاء المركبات الفضائية.

منذ أواخر ثمانينيات القرن العشرين، كان العلماء يبحثون عن طرق لاستبدال استخراج الماس، الذي يرتبط غالبًا بالعمالة الاستغلالية والضرر البيئي، بمادة تسمى نترات الكربون.

مادة جديدة من نتريد الكربون لها صلابة قريبة من الماس، ولها تطبيقات محتملة في العديد من المجالات المختلفة

يمكن لنتريد الكربون، المتكون من الكربون والنيتروجين، أن ينافس من الناحية النظرية صلابة الماس. ولكن الحل على نطاق صناعي ليس ممكنا على المدى الطويل.

وبعد ثلاثة عقود من الزمن، نجح فريق دولي من العلماء من جامعة إدنبرة وجامعة بايرويت وجامعة لينكوبينج في تحقيق اختراق كبير في إنتاج هذه المادة فائقة الصلابة. في الأساس، يتعين على العلماء إعادة خلق الظروف الطبيعية للعناصر الموجودة في مركز الأرض.

وللقيام بذلك، قام العلماء بضغط الكربون والنيتروجين عند ضغط يبلغ 700 ألف مرة الضغط الجوي. وفي الوقت نفسه، استخدموا الليزر لتسخين المادة إلى 2732 درجة فهرنهايت (1500 درجة مئوية). وبعد ذلك، تم فحص العينات باستخدام حزم الأشعة السينية عالية الكثافة في ثلاثة مسرعات للجسيمات (تقع في فرنسا وألمانيا والولايات المتحدة على التوالي).

نُشر البحث في أكتوبر 2023 في مجلة Advanced Materials. اكتشف العلماء ثلاثة مركبات من نتريد الكربون تتمتع بصلابة عالية للغاية وتحتفظ بخصائص تشبه الماس عند إعادتها إلى ظروف درجة الحرارة والضغط المحيطة.

وقال دومينيك لانييل، المؤلف المشارك في الدراسة من جامعة إدنبرة: "مع اكتشاف مادة نيتريد الكربون الجديدة، بدأنا نفكر في إنشاء مادة حلم بها الباحثون منذ ثلاثة عقود". "تساهم هذه المواد في تقريب تركيب المواد عالية الضغط والتطبيقات الصناعية."

وأظهرت الأبحاث الإضافية أيضًا أن المادة الجديدة تحتوي على خصائص إضافية مثل القدرة على إصدار الضوء وتخزين كثافة عالية من الطاقة في حجم صغير.

لا يعد نترات الكربون بديلاً كاملاً للماس الطبيعي. تبلغ صلابة الماس حوالي 90 جيجا باسكال (GPa)، في حين تصل صلابة نتريد البورون المكعب إلى حوالي 50 إلى 55 جيجا باسكال فقط. مركبات نيتريد الكربون الجديدة، تصل إلى حوالي 78 و 86 جيجا باسكال، اعتمادًا على البنية البلورية. الفارق في الأرقام ليس كبيرا، ولكن هذا ليس كافيا للفوز بالمركز الأول في الماس.

العينة المادية الجديدة التي ابتكرها العلماء يبلغ حجمها 5×3 ميكرومتر فقط. ولإنشاء عينات أكبر، ستكون هناك حاجة إلى ماس أكبر وضغط أعظم، مما يجعل نتريد الكربون الفائق الصلابة الجديد باهظ الثمن للغاية.

ومع ذلك، فإن خفض التكاليف سيكون الهدف، لأن المادة تتمتع بميزة على الماس التقليدي تتمثل في قدرتها على توليد إشارات كهربائية - وهي ميزة مفيدة عند استخدامها في أجهزة الاستشعار.

الفيتناميون (المصدر: PopMech)

[إعلان 2]
مصدر