Учені синтезували матеріал – майже такий самий твердий, як алмаз

За словами розробників, новий матеріал практично неможливо розбити, а сфера його застосування може бути найрізноманітнішою: від фотодетекторів до захисних покриттів автомобілів і 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, в алмазу є один недолік. Хоча його структура дуже тверда, водночас вона досить крихка (у різних напрямках кристала його міцність неоднакова). Тому сфери застосування алмазу обмежені.

Науковці в лабораторіях давно намагаються створити досить тверді матеріали, які можна було б використовувати за екстремальних температур, тисків, швидкостей, напружень, сильної радіації.

У 1989 році американські фізики Марвін Коен (Marvin Cohen) та Емі Лю (Amy Liu) експериментували з нітридом вуглецю – бінарною сполукою вуглецю та азоту (C3N4), – щоб синтезувати новий надтвердий матеріал. Вчені стверджували, що атоми вуглецю й азоту у співвідношенні 3:4 можуть утворювати особливо короткі та сильні зв’язки в стабільній кристалічній решітці. За розрахунками, проведеними американськими дослідниками, нова речовина має бути настільки ж твердою, як алмаз. Зазначимо, що нітриди – хімічні сполуки азоту з металами і неметалами.

Досліди Коена і Лю не виправдали очікувань, зате привернули увагу безлічі вчених. Надалі було передбачено існування кількох модифікацій нітриду вуглецю. Одну з них – нітрид вуглецю з тривимірними каркасами тетраедрів (CN4) – фахівці назвали “найбільшою надією матеріалознавства”. Тому що цей матеріал матиме твердість, що перевищує твердість алмазу або порівнянну з нею.

Протягом трьох десятиліть вчені робили цілу низку спроб синтезувати новий матеріал. Щоправда, давалося це непросто. Складність синтезу здебільшого зумовлена термічною нестійкістю нітриду вуглецю (відбувається розкладання за температури 800 градусів Цельсія). Необхідно 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 і tI24-CN2.

На основі цих сполук вчені розробили матеріал, який за твердістю може конкурувати з алмазом. Він твердіший за нітрид бору з кубічною мікроструктурою – синтетичний надтвердий матеріал, який отримують із гексагональної модифікації нітриду бору (BN) внаслідок впливу на нього високих тисків і температур. Це другий за твердістю матеріал після алмазу.

Ланіель і 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 Цельсія.

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

Аналіз показав, що три синтезованих сполуки нітриду вуглецю (tI14-C3N4, hP126-C3N4 і tI24-CN2) мають відповідну структуру для створення надтвердого матеріалу. Додаткові дослідження виявили, що ці сполуки можуть мати п’єзоелектричні та фотолюмінесцентні властивості, а ще здатні накопичувати велику кількість енергії за відносно малої маси.

“Крім того, ці сполуки зберігають свої надтверді властивості навіть після охолодження і в умовах нормального тиску навколишнього середовища. Нові нітриди вуглецю отримують унаслідок впливу тиску вище 100 гігапаскалів, їх можна витягти на відкрите повітря за кімнатної температури [без руйнування]”, – пояснив Ланіель.

На думку авторів, їхня робота відкриє нові можливості в найрізноманітніших галузях, 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 і новий вид обшивки для космічних кораблів, а також фотодетектори та потужні ріжучі інструменти.