اختراق نيتريد الكربون يفتح الباب أمام تقدمات كبيرة في علم المواد

سواء كنا نتحدث عن التطورات في مجال الحوسبة أو الطاقة المستدامة أو النقل أو أي مجال آخر تمامًا، فإن كل ذلك لن يكون ممكنًا دون الاختراقات الأساسية في علم المواد. بينما بعض الاختراقات تحمل إمكانات أن تكون أكثر أهمية من غيرها – تذكر الحماس حول الموصل الفائق المحتمل في درجة حرارة الغرفة في منتصف عام 2023؟ – كل منها يلعب دورًا مهمًا في تسهيل التقدم عبر مجموعة واسعة من القطاعات مع تحول المواد المستخدمة إلى أخف وزنًا وأكثر صلابة وأقل تكلفة، إلخ.

لهذا الغرض، نجح العلماء مؤخرًا في تحقيق هدف استمر أكثر من 30 عامًا وهو تصنيع مادة أقوى من الألماس من نيتريدات الكربون. تابع القراءة لتعرف ما يعنيه ذلك، وحالات الاستخدام المحتملة لمثل هذا المنتج، والشركات التي قد تستفيد أكثر إذا تم تطوير عمليات تصنيع فعّالة.

الاختراق

رأت الدراسة، التي تحمل عنوان “تصنيع نيتريدات الكربون فائقة عدم الانضغاط وقابلة للاسترداد مع رباعيات CN₄“، الباحثين يصنعون أربعة مركبات كربون-نيتروجين،

• oP8-CN
• hP126-C₃N₄
• tI14-C₃N₄
• tI24-CN₂

تم تحقيق ذلك باستخدام خلايا المِطرقة الماسية، حيث خُضِّيت المركبات لضغط مرتفع جدًا (72 إلى 134 جيجا باسكال) ودرجة حرارة (2500 كلفن).

ومن المثير للاهتمام أن المركبات الناتجة، التي وُصفت بأنها تمتلك بنية رباعية مع روابط تساهمية قوية، أظهرت خصائص مثل كونها فائقة عدم الانضغاط وصعبة للغاية. بالإضافة إلى ذلك، عرضت مجموعة من الخصائص التي قد تجعلها جذابة عبر مجموعة متنوعة من التطبيقات. وشملت هذه الخصائص،

• كثافة طاقة عالية
• الخاصية الكهروضغطية
• الضوء الفلوري.

يُنظر إلى هذه المركبات على أنها ذات أهمية خاصة بسبب صلابتها، التي قد تنافس أو تتجاوز صلابة الألماس. إن تصنيع مثل هذه المواد، التي كانت تُعتبر سابقًا نظرية، يمثل تقدمًا كبيرًا في علم المواد تحت الضغط العالي​.

معامل الضغوط مقابل مقياس موهس

في هذه الدراسة، وُجد أن معامل الضغوط للمركبات وصل إلى أرقام تصل إلى 419 جيجا باسكال. وتشير إلى أن هذا يُقارن بالألماس (446 جيجا باسكال)، مما يعني أن “جميع نيتريدات الكربون الأربعة تُصنّف كمواد فائقة عدم الانضغاط”.

ومع ذلك، من المهم أن ندرك أن “معامل الضغوط” ليس هو نفسه مقياس موهس، فهناك فرق واضح بين هذين القياسين.

معامل الضغوط: هذا مقياس لمقاومة المادة للضغط المتساوي ويُعبّر عنه بوحدات الضغط، مثل الباسكال (Pa). إنه يحدد مدى عدم قابلية المادة للانضغاط. كلما ارتفع معامل الضغوط، كلما كانت المادة أكثر صلابة وأقل قابلية للانضغاط، مما قد يشير إلى صلابة أعلى.

مقياس موهس: هذا مقياس نوعي وترتيبي يصنّف المواد بناءً على مقاومتها للخدش مقارنة بمواد أخرى. يتراوح من 1 (الأكثر نعومة) إلى 10 (الأكثر صلابة). مقياس موهس أكثر بساطة وعملية لمقارنة صلابة المعادن المختلفة، لكنه لا يقدم قياسات عددية أو دقيقة مثل معامل الضغوط.

ببساطة، معامل الضغوط هو طريقة أكثر دقة لتقييم صلابة المادة، بينما مقياس موهس يقوم بذلك بشكل غير مباشر عبر مقاومة الخدش.

حالات الاستخدام

من خلال فهم النتائج، يصبح من الأسهل تخيل بعض التطبيقات المستقبلية لمثل هذه المادة. مع نيتريدات الكربون التي تم تصنيعها وتجمع بين الصلابة الفائقة، والخصائص الكهروضغطية، والضوء الفلوري، فإنها قد تكون مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات.

نظرة توضيحية على التطبيقات المحتملة لنيتريدات الكربون الصلبة كالألماس.

التطبيقات الصناعية: طبيعتها الصلبة تجعلها مناسبة لأدوات القطع، والمواد الكاشطة، ومعدات الحفر. يمكن أن تعزز بشكل كبير من أداء وعمر هذه الأدوات.

الإلكترونيات والبصريات الضوئية: الخصائص الكهروضغطية والضوء الفلوري لهذه المواد قد تكون مفيدة في تطوير أجهزة إلكترونية وبصريات ضوئية متقدمة، بما في ذلك المستشعرات، والمحولات، ومكونات تقنية الليزر.

تخزين الطاقة: نظراً لكثافة طاقتها العالية، قد تُستكشف نيتريدات الكربون لاستخدامها في حلول تخزين الطاقة، مما قد يعزز كفاءة وسعة البطاريات أو المكثفات الفائقة.

الفضاء والدفاع: الجمع بين الصلابة والمتانة والثبات الحراري قد يجعلها ذات قيمة في قطاعي الفضاء والدفاع للمكونات التي تتطلب مواد تتحمل ظروفًا قصوى.

التقنية الطبية: الطبيعة المتوافقة حيويًا لنيتريدات الكربون قد تفتح تطبيقات في المجالات الطبية الحيوية، مثل الأطراف الصناعية أو كطبقات للزرعات لتحسين المتانة والأداء.

من الواضح أن الخصائص التي تظهرها هذه المركبات تجعلها جذابة للغاية، وعلى الرغم من عدم وجود عمليات تصنيع عملية على نطاق واسع حاليًا، فإنها تقدم ما يكفي من الإمكانات للبحث المستمر.

أفضل شركات علم المواد المتقدمة

*الأرقام الواردة أدناه كانت دقيقة في وقت كتابة المقال وتخضع للتغيير. يجب على أي مستثمر محتمل التحقق من المقاييس*

1. 3M Company

MMM مخطط السعر

تُعرف شركة 3M بابتكاراتها في مجالات علمية وصناعية متنوعة، ويمكن أن تستفيد بشكل كبير من نيتريدات الكربون التي تم تصنيعها حديثًا. هذه المواد، بفضل صلابتها ومتانتها الاستثنائية، تتماشى جيدًا مع تركيز 3M على حلول المواد المتقدمة للأسواق الصناعية، والرعاية الصحية، والاستهلاكية، والإلكترونية. على وجه الخصوص، قد تعزز طبيعتها الفائقة الصلابة من منتجات 3M من المواد الكاشطة وأدوات القطع، بينما قد تجد خصائصها الكهروضغطية والضوء الفلوري تطبيقات في المكونات الإلكترونية والأنظمة البصرية. إن دمج نيتريدات الكربون في خطوط منتجات 3M قد يؤدي إلى تطوير مواد أكثر كفاءة، ومتانة، وتعددية، مما يعزز إرث الشركة في الابتكار.

2. General Electric

GE مخطط السعر

شركة General Electric (GE.TO ) (GE)، وهي مجموعة متعددة الجنسيات، قد تستفيد أيضًا من تطوير نيتريدات الكربون. محفظة GE المتنوعة، التي تشمل الطيران، وتوليد الطاقة، والطاقة المتجددة، يمكن أن تستخدم هذه المواد المتقدمة لإحداث ثورة في خطوط منتجاتها. قد يمثل اعتماد نيتريدات الكربون خطوة مهمة في التزام GE بالتقدم التكنولوجي والاستدامة.

3. Raytheon Technologies

RXT مخطط السعر

أخيرًا، شركة Raytheon Technologies، الرائدة في مجال الفضاء والدفاع، قد تستفيد من نيتريدات الكربون التي تم تصنيعها مؤخرًا. بصفتها رائدة في تطوير أنظمة متقدمة لتطبيقات الفضاء والدفاع، قد تكون اهتمامات Raytheon متمثلة في استخدام هذه المواد فائقة عدم الانضغاط والصلابة العالية لتصنيع مكونات خفيفة الوزن وعالية القوة. تجعل الخصائص الاستثنائية لنيتريدات الكربون هذه المواد مثالية للهياكل الفضائية وأنظمة الدفاع التي تتطلب مواد قادرة على تحمل ظروف تشغيلية وبيئية قصوى، مما يعزز من متانة وأداء منتجات Raytheon.

أفكار ختامية

كان الطريق طويلاً للوصول إلى نقطة هذه الدراسة. على مدار أكثر من ثلاثة عقود، سعى العلماء لتحقيق هدف إنشاء نيتريدات الكربون صلبة كالألماس، وقد بدأ هذا المسعى في عام 1989. الآن بعد تحقيق ذلك، أصبح ذلك علامة فارقة هامة في علم المواد، والتي تحوّلت الآن لتُعيد تركيز بعض الجهود إلى كيفية تصنيع هذه المواد بشكل متكرر وعلى نطاق واسع للاستخدام في التطبيقات التجارية التي تقدمها الشركات المذكورة.