Một nhóm nghiên cứu quốc tế dẫn đầu bởi các nhà nghiên cứu từ Trung tâm Khoa học ở Điều kiện khắc nghiệt tại Đại học Edinburgh đã tạo ra một bước đột phá, tổng hợp các tiền chất carbon và nitơ để tạo ra carbon nitride, cứng hơn boron nitride khối - hiện là vật liệu cứng thứ hai sau kim cương.

"Khi phát hiện ra vật liệu carbon nitride mới đầu tiên này, chúng tôi đã hoài nghi về việc sản xuất vật liệu mà các nhà nghiên cứu đã mơ ước trong ba thập kỷ qua", Dominique Laniel từ Đại học Edinburgh cho biết. "Những vật liệu này cung cấp động lực mạnh mẽ để thu hẹp khoảng cách giữa tổng hợp vật liệu áp suất cao và các ứng dụng công nghiệp."

Trong khi các nhà khoa học nhận ra tiềm năng của nitrua carbon vào những năm 1980, bao gồm cả khả năng chịu nhiệt cao, việc tạo ra chúng lại là một câu chuyện khác. Trên thực tế, không có nghiên cứu đáng tin cậy nào về sự tổng hợp của chúng được tạo ra - cho đến bây giờ.

"Nitrua carbon có khung ba chiều của tứ diện CN4 là một trong những khát vọng lớn của khoa học vật liệu", các nhà nghiên cứu lưu ý trong nghiên cứu.

Nhóm nghiên cứu, bao gồm các chuyên gia vật liệu từ Đại học Bayreuth, Đức và Đại học Linköping, Thụy Điển, đã đạt được kỳ tích bằng cách đưa các dạng tiền chất nitơ carbon khác nhau vào áp suất 70-135 gigapascals (hoặc một triệu lần áp suất khí quyển của chúng ta) trong khi đồng thời làm nóng chúng đến hơn 1.500 ° C (2732 ° F).

Sự sắp xếp nguyên tử sau đó được kiểm tra thông qua chùm tia X tại Cơ sở nghiên cứu synchrotron châu Âu ở Pháp, Deutsches Elektronen-Synchrotron ở Đức và Nguồn photon tiên tiến ở Mỹ.

Phân tích này cho thấy ba trong số các hợp chất carbon nitride tổng hợp có cấu trúc cần thiết cho vật liệu siêu cứng đột phá. Các nhà khoa học sau đó đã rất ngạc nhiên khi thấy rằng bộ ba hợp chất vẫn giữ được phẩm chất cực cứng của chúng khi chúng nguội đi và trở lại áp suất môi trường xung quanh.

Hình ảnh của một trong những chiếc đe kim cương với kính hiển vi quang học

Nhóm nghiên cứu tin rằng bước đột phá này mở đường cho vô số ứng dụng, bao gồm lớp phủ bảo vệ cho phương tiện và tàu vũ trụ, các công cụ cắt mạnh mẽ và bộ dò quang.

"Những vật liệu này không chỉ nổi bật về tính đa chức năng mà còn cho thấy các pha liên quan đến công nghệ có thể được phục hồi từ áp suất tổng hợp tương đương với các điều kiện được tìm thấy hàng ngàn km bên trong Trái đất", Florian Trybel, trợ lý giáo sư tại Đại học Linköping cho biết. "Chúng tôi tin tưởng mạnh mẽ rằng nghiên cứu hợp tác này sẽ mở ra những khả năng mới cho lĩnh vực này."

Mặc dù vẫn chưa rõ mức độ khả năng của nó, các hợp chất carbon nitride không nén được cũng được tìm thấy có mật độ phát quang, áp điện và năng lượng cao, có thể lưu trữ một lượng lớn năng lượng trong một lượng nhỏ khối lượng.

"Các cuộc điều tra tính chất vật lý cho thấy những vật liệu liên kết cộng hóa trị mạnh này, siêu nén và siêu cứng, cũng có mật độ năng lượng cao, áp điện và đặc tính phát quang", các nhà nghiên cứu lưu ý trong nghiên cứu. "Các nitrua carbon mới là duy nhất trong số các vật liệu áp suất cao, vì được sản xuất trên 100 GPa, chúng có thể thu hồi trong không khí ở điều kiện môi trường xung quanh."

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Materials.