Экспериментальное подтверждение сверхтвердости полиморфов C₃N₄ (образец № 4), отпечатавших поверхность алмазных наковальнь. 
а) Изображение одной из алмазных наковальнь под оптическим микроскопом (красными прямоугольниками отмечены области, визуализированные с помощью СЭМ) на (b, c).
Кредит: Передовые материалы (2023). DOI: 10.1002/adma.202308030

Ученые решили загадку, которая длилась десятилетиями, и открыли практически неразрушимое вещество, которое может соперничать с алмазом как самый твердый материал на Земле. Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.

Исследователи обнаружили, что когда предшественники углерода и азота подвергались воздействию экстремальной температуры и давления, полученные материалы, известные как нитриды углерода, были прочнее, чем кубический нитрид бора, второй по твердости материал после алмаза.

По словам экспертов , этот прорыв открывает двери для многофункциональных материалов, которые будут использоваться в промышленных целях, включая защитные покрытия для автомобилей и космических кораблей, высокопрочные режущие инструменты, солнечные панели и фотодетекторы.

Исследователи материалов пытались раскрыть потенциал нитридов углерода с 1980-х годов, когда ученые впервые заметили их исключительные свойства, в том числе высокую устойчивость к нагреву.

Однако после более чем трех десятилетий исследований и многочисленных попыток их синтеза никаких заслуживающих доверия результатов получено не было.

Теперь международная группа ученых, возглавляемая исследователями из Центра науки об экстремальных условиях Эдинбургского университета и экспертами из Университета Байройта, Германия, и Университета Линчепинга, Швеция, наконец добилась прорыва.

Команда подвергла различные формы прекурсоров углерода и азота давлению от 70 до 135 гигапаскалей — примерно в 1 миллион раз больше нашего атмосферного давления — и нагрела их до температуры более 1500°C.

Для идентификации атомного расположения соединений в этих условиях образцы освещались интенсивным рентгеновским лучом на трех ускорителях частиц — Европейском центре синхротронных исследований во Франции, Deutsches Elektronen-Synchrotron в Германии и Advanced Photon Source, базирующемся в Соединенные Штаты.

Исследователи обнаружили, что три соединения нитрида углерода содержат необходимые строительные блоки для сверхтвердости.

Примечательно, что все три соединения сохранили свои алмазоподобные свойства, когда вернулись в условия давления и температуры окружающей среды.

Дальнейшие расчеты и эксперименты показывают, что новые материалы обладают дополнительными свойствами, включая фотолюминесценцию и высокую плотность энергии, при которых большое количество энергии может храниться в небольшом количестве массы.

Исследователи говорят, что потенциальное применение этих сверхнесжимаемых нитридов углерода обширно, что потенциально позволяет позиционировать их как совершенные конструкционные материалы, способные конкурировать с алмазами.

«После открытия первого из этих новых материалов из нитрида углерода мы не могли поверить, что смогли создать материалы, о которых исследователи мечтали последние три десятилетия. Эти материалы дают мощный стимул для преодоления разрыва между синтезом материалов высокого давления и промышленным применением»." — говорит доктор Доминик Ланиэль.

«Эти материалы не только выдающиеся в своей многофункциональности, но и показывают, что технологически важные фазы могут быть восстановлены при давлении синтеза, эквивалентном условиям, обнаруженным на тысячах километров в недрах Земли. Мы твердо верим, что это совместное исследование откроет новые возможности. для поля», — говорит доктор Флориан Трибель.