Ученые производят сверхтвердые многофункциональные нитриды углерода

С 1989 года, когда в журнале Science было сообщено о предсказании углеродно-азотного соединения C₃N₄ с исключительными механическими свойствами, потенциально превосходящими алмаз по твердости, над этой темой начали работать исследователи по всему миру. Этот прорыв теперь был сделан международной командой ученых-гипербаристов из Университета Байройта и Эдинбургского университета.

Они подвергли несколько прекурсоров углерода и азота невероятно высокому давлению от 70 до 135 гигапаскалей (ГПа), при этом давление 100 ГПа эквивалентно атмосферному давлению в миллион раз, и нагрели их выше 2000 К в ячейках с алмазными наковальнями. Затем образцы были охарактеризованы методом монокристаллической рентгеновской дифракции на трех ускорителях частиц: Европейском центре синхротронных исследований (ESRF, Франция), Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY, Германия) и Advanced Photon Source (APS, США). . . В результате были обнаружены четыре нитрида углерода состава CN, CN₂ и C₃N₄ и структур различной сложности. Кристаллические структуры аллотропов C₃N₄ построены из тетраэдрических каркасов CN₄, которые являются ключом к их превосходным механическим свойствам — превосходной сжимаемости (проявляющей несжимаемость, когда объем объекта остается примерно постоянным, несмотря на приложенное давление) и превосходной жесткости — были экспериментально продемонстрированы в этой работе. Тот факт, что нитрид углерода под высоким давлением C₃N₄ оставляет отпечатки на поверхности алмаза, свидетельствует о его твердости, сравнимой с твердостью самого алмаза.

«Ожидается, что нитриды углерода, синтезированные в этой работе, наряду с механическими свойствами будут обладать множеством исключительных функциональных возможностей и потенциально могут стать конструкционными материалами того же класса, что и алмазы, но, в отличие от алмазов, их можно легко привить, что всегда является проблемой. «, — говорит профессор Наталья Добровинская из лаборатории. Кристаллограф Байройтского университета, она является ведущим автором статьи: «Алмазная электроника». Исследования физических свойств, как экспериментальные, так и теоретические, проводят ученые Линчёпингского университета в Швеции, показали, что эти материалы с прочными ковалентными связями не только чрезвычайно несжимаемы и сверхтверды, но также обладают высокой плотностью энергии, пьезоэлектрическими, фотолюминесцентными и нелинейно-оптическими свойствами.

Примечательно также, что четыре нитрида углерода под высоким давлением могут быть восстановлены до давления и температуры окружающей среды. «Восстановление сложных материалов, изготовленных при давлении выше 100 ГПа, — это случай, которого никогда раньше не видели, открывающий новые горизонты для материаловедения высокого давления в целом», — говорит профессор Леонид Добровинский из Баварского института геохимии и экспериментальной геофизики Университета Байройт. Ведущий автор исследования.