Wetenschappers hebben een nieuwe klasse materiaal ontdekt, carbonitride, dat zo hard is als diamant. De ontdekking, het resultaat van internationale samenwerking en decennia van onderzoek, opent de mogelijkheid voor een verscheidenheid aan industriële toepassingen vanwege de duurzaamheid en andere eigenschappen zoals fotoluminescentie en hoge energiedichtheid. Deze doorbraak, gefinancierd door internationale fondsen en gepubliceerd in Advanced Materials, markeert een grote vooruitgang in de materiaalkunde.
Wetenschappers hebben een decennia-oude puzzel opgelost en een vrijwel onverwoestbare substantie onthuld die met diamant zou kunnen wedijveren als het hardste materiaal op aarde, aldus een studie.
De onderzoekers ontdekten dat wanneer voorlopers van koolstof en stikstof worden blootgesteld aan extreme hitte en druk, het resulterende materiaal – carbonitride – harder is dan kubisch boornitride, het op een na hardste materiaal na diamant.
Experts zeggen dat de doorbraak de deur opent naar industriële toepassingen voor het veelzijdige materiaal, waaronder beschermende coatings voor auto's en ruimtevaartuigen, hoogwaardige snijgereedschappen, zonnepanelen en fotodetectoren.
Materiaalonderzoekers proberen het potentieel van carbonitriden te benutten sinds de jaren tachtig, toen wetenschappers voor het eerst hun speciale eigenschappen opmerkten, waaronder een hoge hittebestendigheid.
Na meer dan dertig jaar onderzoek en meerdere pogingen tot synthese zijn er echter geen geloofwaardige resultaten geboekt.
Internationale samenwerking brengt succes
Nu heeft een internationaal team van wetenschappers, waaronder onderzoekers van het Centre for Extreme Condition Science van de Universiteit van Edinburgh, experts van de Universiteit van Bayreuth in Duitsland en de Linköping Universiteit in Zweden, eindelijk een doorbraak bereikt.
Het team plaatste verschillende vormen van koolstof-stikstofprecursoren onder een druk van 70 tot 135 gigapascal (ongeveer een miljoen keer de atmosferische druk) terwijl ze werden verwarmd tot meer dan 1500 graden Celsius.
Om de atomaire rangschikking van deze verbindingen onder deze omstandigheden te bepalen, werden de monsters belicht met intense röntgenstralen bij drie deeltjesversnellers: de European Synchrotron Research Facility in Frankrijk, Deutsche Electron Synchrotron in Duitsland en de Advanced Photon Source in de Verenigde Staten.
De onderzoekers ontdekten dat er drie koolstofnitrideverbindingen zijn die de bouwstenen bevatten die nodig zijn voor ultrahardheid. Opmerkelijk genoeg behielden de drie verbindingen hun diamantachtige eigenschappen wanneer ze werden teruggebracht naar omgevingsdruk en temperatuuromstandigheden. Verdere berekeningen en experimenten lieten zien dat deze nieuwe materialen ook andere eigenschappen bezitten, waaronder fotoluminescentie en hoge energiedichtheid.
Onderzoekers zeggen dat deze ultragecomprimeerde carbonitriden een breed scala aan potentiële toepassingen hebben en het ultieme technische materiaal kunnen worden dat vergelijkbaar is met diamant.
Het onderzoek, gepubliceerd in Advanced Materials, werd gefinancierd door het FLF-programma van de Royal Institution en het European Research Fund.
Dr. Dominique Laniel, Future Leaders Fellow aan het Institute of Condensed Matter Physics and Complex Systems van de School of Physics and Astronomy van de Universiteit van Edinburgh, zei: "Bij het ontdekken van het eerste nieuwe koolstofnitridemateriaal geloven we niet dat een materiaal waar onderzoekers de afgelopen dertig jaar van hebben gedroomd eindelijk beschikbaar is. Deze materialen bieden een krachtige impuls om de kloof tussen hogedrukmateriaalsynthese en industriële toepassingen te overbruggen."
Dr. Florian Trybel, assistent-professor aan de afdeling natuurkunde, scheikunde en biologie van de Universiteit van Linköping, zei: "Deze materialen tonen niet alleen een opmerkelijke veelzijdigheid, maar laten ook zien dat technologisch relevante fasen van materie kunnen worden teruggewonnen uit synthetische drukomstandigheden die gelijk zijn aan duizenden kilometers in de aarde. We zijn ervan overtuigd dat dit gezamenlijke onderzoek nieuwe mogelijkheden in het veld zal openen."
Samengestelde bron: ScitechDaily