Wetenschappers hebben een tientallen jaren durende puzzel opgelost en een vrijwel onbreekbare substantie onthuld die met diamant zou kunnen wedijveren als het hardste materiaal op aarde. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials .

Onderzoekers ontdekten dat wanneer koolstof- en stikstofvoorlopers werden blootgesteld aan extreme hitte en druk, de resulterende materialen (koolstofnitriden genoemd) sterker waren dan kubisch boornitride, het op een na hardste materiaal na diamant.

De doorbraak opent deuren voor multifunctionele materialen die voor industriële doeleinden kunnen worden gebruikt, waaronder beschermende coatings voor auto's en ruimteschepen, snijgereedschappen met hoge duurzaamheid, zonnepanelen en fotodetectoren, zeggen experts.

Materiaalonderzoekers hebben geprobeerd het potentieel van koolstofnitriden te ontsluiten sinds de jaren tachtig, toen wetenschappers voor het eerst hun uitzonderlijke eigenschappen opmerkten, waaronder een hoge weerstand tegen hitte.

Maar na meer dan drie decennia van onderzoek en meerdere pogingen om ze te synthetiseren, zijn er geen geloofwaardige resultaten gerapporteerd.

Nu heeft een internationaal team van wetenschappers – onder leiding van onderzoekers van het Centre for Science at Extreme Condition van de Universiteit van Edinburgh en experts van de Universiteit van Bayreuth, Duitsland en de Universiteit van Linköping, Zweden – eindelijk een doorbraak bereikt.

Het team onderwierp verschillende vormen van koolstof-stikstofvoorlopers aan een druk van tussen de 70 en 135 gigapascal (ongeveer 1 miljoen keer onze atmosferische druk) en verhitte deze tot temperaturen van meer dan 1500 °C.

Om de atomaire rangschikking van de verbindingen onder deze omstandigheden te identificeren, werden de monsters verlicht door een intense röntgenbundel bij drie deeltjesversnellers:de European Synchrotron Research Facility in Frankrijk, de Deutsches Elektronen-Synchrotron in Duitsland en de Advanced Photon Source gevestigd in de Verenigde Staten.

Onderzoekers ontdekten dat drie koolstofnitrideverbindingen de noodzakelijke bouwstenen bleken te hebben voor superhardheid.

Opmerkelijk genoeg behielden alle drie de verbindingen hun diamantachtige eigenschappen toen ze terugkeerden naar omgevingsdruk en temperatuuromstandigheden.

Verdere berekeningen en experimenten suggereren dat de nieuwe materialen aanvullende eigenschappen bevatten, waaronder fotoluminescentie en hoge energiedichtheid, waarbij een grote hoeveelheid energie kan worden opgeslagen in een kleine hoeveelheid massa.

Onderzoekers zeggen dat de potentiële toepassingen van deze ultra-onsamendrukbare koolstofnitriden enorm zijn, waardoor ze mogelijk worden gepositioneerd als ultieme technische materialen om te concurreren met diamanten.

"Bij de ontdekking van de eerste van deze nieuwe koolstofnitridematerialen waren we ongelovig dat we materialen hadden geproduceerd waar onderzoekers de afgelopen dertig jaar van hebben gedroomd. Deze materialen bieden een sterke stimulans om de kloof te overbruggen tussen hogedrukmaterialensynthese en industriële toepassingen, " zegt Dr. Dominique Laniel.

"Deze materialen zijn niet alleen uitstekend in hun multifunctionaliteit, maar laten zien dat technologisch relevante fasen kunnen worden teruggewonnen uit een synthesedruk die gelijkwaardig is aan de omstandigheden die duizenden kilometers in het binnenste van de aarde voorkomen. Wij zijn ervan overtuigd dat dit gezamenlijke onderzoek nieuwe mogelijkheden zal openen." voor het veld", zegt dr. Florian Trybel.

Meer informatie: Dominique Laniel et al, Synthese van ultra-onsamendrukbare en herstelbare koolstofnitriden met CN4-tetraëders, geavanceerde materialen (2023). DOI:10.1002/adma.202308030

Journaalinformatie: Geavanceerde materialen

Aangeboden door Universiteit van Edinburgh