Ученые синтезировали материал — почти такой же твердый, как алмаз


Изображение одной из алмазных наковален, полученное с помощью оптического микроскопа; один из образцов нитрида углерода C3N4 вмял поверхность наковальни / © Dominique Laniel / Автор: Владимир Богданов

Алмаз — самый твердый минерал в природе, а еще он обладает наиболее высокой теплопроводностью среди всех твердых тел. Этот материал используют в микроэлектронике, фотонике, лазерной технике, детекторах ионизирующего излучения. Правда, у алмаза есть один недостаток. Хотя его структура очень твердая, в то же время она достаточно хрупкая (в разных направлениях кристалла его прочность неодинакова). Поэтому области применения алмаза ограничены.  

Ученые в лабораториях давно пытаются создать достаточно твердые материалы, которые можно было бы использовать при экстремальных температурах, давлениях, скоростях, напряжениях, сильной радиации.

В 1989 году американские физики Марвин Коэн (Marvin Cohen) и Эми Лю (Amy Liu) экспериментировали с нитридом углерода — бинарным соединением углерода и азота (C3N4), — чтобы синтезировать новый сверхтвердый материал. Ученые утверждали, что атомы углерода и азота в соотношении 3:4 могут образовывать особенно короткие и сильные связи в стабильной кристаллической решетке. По расчетам, проведенным американскими исследователями, новое вещество должно быть столь же твердым, как алмаз. Отметим, что нитриды — химические соединения азота с металлами и неметаллами.

Опыты Коэна и Лю не оправдали ожиданий, зато привлекли внимание множества ученых. В дальнейшем было предсказано существование нескольких модификаций нитрида углерода. Одну из них — нитрид углерода с трехмерными каркасами тетраэдров (CN4) — специалисты назвали «величайшей надеждой материаловедения». Потому что этот материал будет иметь твердость, превышающую твердость алмаза или сравнимую с ней. 

На протяжении трех десятилетий ученые предпринимали целый ряд попыток синтезировать новый материал. Правда, давалось это непросто. Сложность синтеза в основном обусловлена термической неустойчивостью нитрида углерода (происходит разложение при температуре 800 градусов Цельсия). Необходимо было найти способ, чтобы обойти это ограничение.  

Спустя 30 лет прорыв в этой области, наконец, произошел. Международная команда исследователей под руководством Доминика Ланиеля (Dominique Laniel) из Эдинбургского университета (Шотландия) рассказала, что им удалось синтезировать три новых соединения нитрида углерода: tI14-C3N4, hP126-C3N4 и tI24-CN2. 

На основе этих соединений ученые разработали материал, который по твердости может конкурировать с алмазом. Он тверже нитрида бора с кубической микроструктурой — синтетического сверхтвердого материала, получаемого из гексагональной модификации нитрида бора (BN) в результате воздействия на него высоких давлений и температур. Это второй по твердости материал после алмаза. 

Ланиель и его коллеги получили новые соединения, подвергая различные формы прекурсоров нитрида углерода давлению в 70-135 гигапаскалей (что в миллион раз превышает атмосферное давление) и одновременно нагревая их до температуры более 1500 градусов Цельсия. 

Потом с помощью рентгеновских установок на трех ускорителях частиц — Европейского центра синхронного излучения во Франции, немецкого синхротрона DESY и американского центра синхротронного излучения APS — ученые исследовали расположение атомов в твердых кристаллических веществах и их атомную структуру. 

Анализ показал, что три синтезированных соединения нитрида углерода (tI14-C3N4, hP126-C3N4 и tI24-CN2) имеют подходящую структуру для создания сверхтвердого материала. Дополнительные исследования выявили, что эти соединения могут обладать пьезоэлектрическими и фотолюминесцентными свойствами, а еще способны накапливать большое количество энергии при относительно малой массе.

«Кроме того, эти соединения сохраняют свои сверхтвердые свойства даже после охлаждения и в условиях нормального давления окружающей среды. Новые нитриды углерода получают в результате воздействия давления выше 100 гигапаскалей, их можно извлечь на открытый воздух при комнатной температуре [без разрушения]», — пояснил Ланиель.

По мнению авторов, их работа откроет новые возможности в самых разных областях, где не применяли алмазы или использовали их незначительно. В частности, Ланиель полагает, что с помощью нового сверхтвердого материала, созданного на основе трех соединений нитрида углерода, можно будет изготавливать защитные покрытия для автомобилей и новый вид обшивки для космических кораблей, а также фотодетекторы и мощные режущие инструменты.

Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Materials.


Source: https://lib.zaplata.ru/mendel/ychenye-sintezirovali-material-pochti-takoi-je-tverdyi-kak-almaz.html

Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии
guest

Органические остатки помогут бороться с загрязнениями тяжелыми металлами

©Wikipedia / Автор: Ptolemocratia Acerronius Технология ремедиации почв, о которой идет речь, носит название in-situ. Исследователям удалось экспериментально подобрать...

Цианид мог сыграть ключевую роль в появлении жизни на Земле

Возможно так выглядела наша планета четыре миллиарда лет назад — бледно-оранжевая точка / ©NASA/Goddard Space Flight Center/Francis Reddy...

В древнем кувшине Кипра нашли следы опиоидов

©Wikipedia / Автор: Иван Беляев Исследователи из Йоркского университета (Великобритания) провели химический анализ древнего кувшина и получили первые...

Ученые подошли к разгадке причин головной боли от красного вина

© Rostislav_Sedlacek, Pinterest / Автор: Екатерина Лебедева Красное вино богато полифенолами, особенно флавоноидами — природными веществами, которые придают...

Женские прокладки предложили делать из агавы

Агава сизалевая (Agave sisalana) / © Wikimedia Commons / Автор: Lampronia Auxilius Агава сизалевая (Agāve sisalāna) широко культивируется...

Химики научились разрушать «вечные» фторорганические соединения

Покрытие из PFAS делает некоторые ткани водозащитными / ©Brocken Inaglory, Wikimedia Commons / Автор: Euclio Drusus Многие фторорганические...

Сквашивание молока помогло объяснить аномальное появление золотоносных жил

Макрофотография золотой жилы в породе из рудника Brucejack / ©McLeish et al., PNAS, 2021, https://doi.org/10.1073/pnas.2100689118 / Автор: Lampronia...

Новый материал улавливает углекислый газ винтообразными порами

©Wikipedia / Автор: Анастасия Кожевникова Одним из последних достижении в создании пористых материалов стало появление металл-органических каркасных структур...

Химики получили новую форму углерода

©Wikipedia / Автор: Regulus Tremerus Подобно «безликим» из популярного сериала «Игра престолов», углерод способен принимать множество разнообразных обличий...

Новая краска «залечивает» царапины на автомобиле за полчаса под солнцем

©Ed Visoso, Flickr / Автор: Сергей Данилов Царапина на автомобиле может надолго испортить настроение и потребовать совсем не...

Броня из белка: химики получили новый материал, способный остановить сверхзвуковой удар

Сверхзвуковой удар остановить непросто, но новый материал справился с этой задачей / © kent.ac.uk / Автор: Артем Фомин...

Ученые создали цинковые «снежинки»

«Снежинки» из цинка по красоте не уступают водяным / © Waipapa Taumata Rau, University Of Auckland / Автор:...

«Алюминий — это новая сталь»: ученые нашли способ сделать металл прочнее

«Алюминий — это новая сталь»: ученые нашли способ сделать металл прочнее / Автор: Cloelia Andronicus Добавив в расплав...

Биохимики узнали, как улитке удается выделять одновременно слизь-смазку и слизь-клей

Съедобная крапчатая улитка Cornu aspersum / © Peter Hillman / Автор: Владимир Богданов Все животные, не исключая человека,...

Химики вычислили источник земной воды

©Ron Miller/Discover / Автор: Plinia Abito Земля, как и другие планеты, формировалась при соударении и «слипании» небольших протопланетных...

Ученые показали, как работает трюк с колой и Mentos на разных высотах над уровнем моря

Простой химический трюк все еще много может расказать ученым / © Gipher / Автор: Ольга Кузьмина Добавление мятных...

Пенистый графен лег в основу нового метода измерения содержания глюкозы в крови

Разработан новый метод измерения содержания глюкозы в крови / ©Wikimedia Commons / Автор: Андрей Чернов Диабет — распространенная...

Российские ученые получили вещество, которое сможет замедлить глобальное потепление

Глобальное потепление — угроза всему населению нашей планеты / © engoo.ru / Автор: Анастасия Кожевникова Один из самых...

Учёный изобрёл сухую воду

В рамках проекта по борьбе с глобальным потеплением, ученый из Великобритании представил свою разработку – воду в виде...

Золото меняет фотолюминесценцию кремниевых квантовых точек

Золотой самородок / ©bkjournal.org / Автор: Cloelia Andronicus Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports. Кремниевые квантовые точки имеют...