Ученые синтезировали материал — почти такой же твердый, как алмаз

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.