Успешная разработка материалов, твердых как алмаз

Алмаз по-прежнему остается самым твёрдым известным материалом в мире . Компания занимает лидирующие позиции в производстве инструментов для самых сложных задач: от пильных полотен до деталей космических кораблей.

С конца 1980-х годов ученые искали способы заменить добычу алмазов, которая часто ассоциируется с эксплуатацией труда и нанесением ущерба окружающей среде, материалом под названием нитрид углерода.

Новый материал из нитрида углерода имеет твердость, близкую к алмазу, и имеет потенциальное применение во многих различных областях

Нитрид углерода, образованный из углерода и азота, теоретически может соперничать по твердости с алмазом. Однако в долгосрочной перспективе решение в промышленных масштабах нецелесообразно.

Три десятилетия спустя международная группа ученых из Эдинбургского университета, Байройтского университета и Линчёпингского университета наконец достигла крупного прорыва в производстве этого сверхтвердого материала. По сути, ученым предстоит воссоздать естественные условия существования элементов, существующих в центре Земли.

Для этого ученые сжали углерод и азот до давления, в 700 000 раз превышающего атмосферное. В то же время они использовали лазер, нагревая материал до 2732 градусов по Фаренгейту (1500 градусов по Цельсию). Далее образцы исследовались с помощью рентгеновских лучей высокой интенсивности на трех ускорителях частиц (расположенных во Франции, Германии и США соответственно).

Исследование было опубликовано в октябре 2023 года в журнале Advanced Materials. Ученые обнаружили три соединения нитрида углерода, которые обладают сверхвысокой твердостью и сохраняют алмазоподобные свойства при возвращении в условия окружающей температуры и давления.

«С открытием нового материала на основе нитрида углерода мы начинаем думать о создании материала, о котором исследователи мечтали на протяжении трех десятилетий», — сказал Доминик Ланиэль, соавтор исследования из Эдинбургского университета. «Эти материалы сближают синтез материалов высокого давления и их промышленное применение».

Дальнейшие исследования также показали, что новый материал обладает дополнительными свойствами, такими как способность излучать свет и хранить высокую плотность энергии в небольшом объеме.

Нитрид углерода не является полноценной заменой природным алмазам. Твердость алмаза составляет около 90 гигапаскалей (ГПа), тогда как твердость кубического нитрида бора достигает лишь около 50–55 ГПа. Новые соединения нитрида углерода, достигающие около 78 и 86 ГПа в зависимости от кристаллической структуры. Разница в цифрах невелика, но этого недостаточно, чтобы занять первое место по алмазам.

Образец нового материала, созданный учеными, имеет размер всего 5x3 микрометра. А для создания более крупных образцов понадобятся более крупные алмазы и еще большее давление, что сделает новый сверхтвердый нитрид углерода чрезвычайно дорогим.

Однако целью будет снижение затрат, поскольку этот материал имеет преимущество перед обычными алмазами в том, что он может генерировать электрические сигналы — удобная функция при использовании в датчиках.

Вьетнамцы (Источник: PopMech)

Источник