Gennembrud inden for carbon nitrid åbner døren til store fremskridt inden for materialvidenskab

Uanset om man diskuterer fremskridt inden for computing, bæredygtig energi, transport eller noget helt andet, ville intet af dette være muligt uden de underliggende gennembrud inden for materialvidenskab. Mens nogle gennembrud har potentiale til at være mere betydningsfulde end andre – husker du begejstringen omkring en potentiel rumtemperatur-superleder i midten af 2023? – spiller hver enkelt en vigtig rolle i at muliggøre fremskridt på tværs af en lang række sektorer, efterhånden som de anvendte materialer bliver lettere, stærkere, billigere osv.

I den forbindelse har forskere for nylig lykkedes med at realisere et mål, der har stået på i over 30 år, om at fremstille et materiale, der er hårdere end en diamant, fra carbon nitrider. Læs videre for at finde ud af, hvad dette betyder, potentielle anvendelsesområder for et sådant produkt, og hvilke virksomheder der kan drage mest fordel, hvis effektive fremstillingsprocesser udvikles.

Gennembruddet

Undersøgelsen, med titlen “Synthesis of Ultra-Incompressible and Recoverable Carbon Nitrides Featuring CN₄ Tetrahedra“, så forskere fremstille fire kulstof-nitrogenforbindelser,

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

Dette blev opnået ved brug af diamant‑anvilceller, hvor forbindelserne blev udsat for et ekstremt højt tryk (72 til 134 GPa) og temperatur (2500 K).

Lovende viste de resulterende forbindelser, som siges at have en tetraedrisk struktur med stærke kovalente bindinger, egenskaber som ultra‑inkomprimerbarhed og superhårdhed. Derudover udviste de forskellige egenskaber, der kan gøre dem interessante i en række anvendelser. Disse omfattede,

• høj energitæthed
• piezoelektricitet
• fotoluminescens.

Forbindelserne betragtes som særligt betydningsfulde på grund af deres hårdhed, som potentielt kan matche eller overgå diamanters. Syntesen af sådanne materialer, tidligere anset som teoretisk, markerer et betydeligt fremskridt inden for højtryks‑materialvidenskab​.

Bulkmodul vs. Mohs-skala

I denne undersøgelse blev det fundet, at bulkmodulet for forbindelserne nåede op til 419 GPa. Det bemærkes, at dette er sammenligneligt med diamanter (446 GPa), og betyder at “alle fire carbon nitrider klassificeres som ultra‑inkomprimerbare materialer”.

Det er dog vigtigt at erkende, at ‘bulkmodul’ ikke er det samme som Mohs-skalaen, da der er en klar forskel mellem de to målinger.

Bulkmodul: Dette er et mål for et materiales modstand mod ensartet kompression og udtrykkes i trykenheder, såsom Pascal (Pa). Det kvantificerer, hvor inkomprimerbart et materiale er. Et højere bulkmodul betyder, at materialet er mere stift og mindre komprimerbart, hvilket kan antyde, at det er hårdere.

Mohs-skala: Dette er en kvalitativ og ordinal skala, der rangerer materialer baseret på deres ridsemodstand i forhold til andre materialer. Den spænder fra 1 (blødeste) til 10 (hårdeste). Mohs-skalaen er mere ligetil og praktisk til at sammenligne hårdheden af forskellige mineraler, men den giver ikke numeriske eller præcise målinger som bulkmodulet.

Kort sagt er bulkmodulet en mere præcis metode til at vurdere et materiales hårdhed, mens Mohs-skalaen gør det indirekte gennem ridsemodstand.

Anvendelsesområder

Når man forstår resultaterne, bliver det lettere at forestille sig nogle af de fremtidige anvendelser for et sådant materiale. De syntetiserede carbon nitrider, som besidder en kombination af superhårdhed, piezoelektriske egenskaber og fotoluminescens, er potentielt egnede til en række anvendelser.

En illustrativ fremstilling af potentielle anvendelser af carbon-nitrider så hårde som diamanter.

Industrielle anvendelser: Deres superhårde natur gør dem velegnede til skæreværktøjer, slibemidler og boreudstyr. De kunne markant forbedre ydeevnen og levetiden for disse værktøjer.

Elektronik og optoelektronik: De piezoelektriske og fotoluminescente egenskaber ved disse materialer kan være gavnlige i udviklingen af avancerede elektroniske og optoelektroniske enheder, herunder sensorer, transducere og komponenter til laserteknologi.

Energilagring: På grund af deres høje energitæthed kan disse carbon nitrider undersøges til brug i energilagringsløsninger, potentielt forbedrende effektiviteten og kapaciteten af batterier eller superkondensatorer.

Luft- og rumfart samt forsvar: Kombinationen af hårdhed, holdbarhed og termisk stabilitet kan gøre dem værdifulde i luft- og rumfart samt forsvar for komponenter, der kræver materialer, der kan modstå ekstreme forhold.

Medicinsk teknologi: Carbon nitridernes biokompatible natur kan åbne op for anvendelser inden for biomedicin, såsom i proteser eller som belægninger til implantater for at forbedre holdbarhed og ydeevne.

Det er tydeligt, at de egenskaber, som disse forbindelser udviser, gør dem meget interessante, og på trods af den nuværende mangel på praktiske fremstillingsprocesser i stor skala, har de tilstrækkeligt potentiale til fortsat forskning.

Top avancerede materialvidenskabsvirksomheder

*Tallene nedenfor var korrekte på tidspunktet for skrivning og kan ændre sig. Enhver potentiel investor bør verificere metrics*

1. 3M Company

MMM Prisdiagram

3M Company (MMM ), kendt for sin innovation inden for forskellige videnskabelige og industrielle områder, kunne drage stor fordel af de nysyntetiserede carbon nitrider. Disse materialer, med deres ekstraordinære hårdhed og holdbarhed, passer godt til 3M’s fokus på avancerede materialeløsninger til industrielle, sundheds‑, forbruger‑ og elektronikmarkeder. Især kan deres superhårde natur forbedre 3M’s slibemidler og skæreværktøjer, mens deres piezoelektriske og fotoluminescente egenskaber kan finde anvendelse i elektroniske komponenter og optiske systemer. Integration af carbon nitrider i 3M’s produktlinjer kan føre til udviklingen af mere effektive, holdbare og alsidige materialer, hvilket viderefører virksomhedens innovationsarv.

2. General Electric

GE Prisdiagram

General Electric (GE.TO ) (GE), et multinationalt konglomerat, kunne også drage fordel af udviklingen af carbon nitrider. GE’s alsidige portefølje, der spænder over luftfart, energiproduktion og vedvarende energi, kunne anvende disse avancerede materialer til at revolutionere deres produktlinjer. Implementeringen af carbon nitrider kunne udgøre et betydeligt skridt i GE’s engagement i teknologisk fremskridt og bæredygtighed.

3. Raytheon Technologies

RXT Prisdiagram

Endelig kan Raytheon Technologies, en fremtrædende luft‑ og rumfarts‑ og forsvarskoncern, drage fordel af de nyligt syntetiserede carbon nitrider. Som førende inden for udvikling af avancerede systemer til luft‑ og rumfarts‑ og forsvarsapplikationer kan Raytheons interesse ligge i at anvende disse ultra‑inkomprimerbare, superharde materialer til fremstilling af højstyrke‑, letvægtskomponenter. De ekstraordinære egenskaber ved carbon nitrider gør dem ideelle til luft‑ og rumfartsstrukturer og forsvarssystemer, der kræver materialer, som kan modstå ekstreme miljø‑ og driftsforhold, hvilket øger holdbarheden og ydeevnen af Raytheons produkter.

Afsluttende tanker

Det har været en lang vej at nå til dette studie. I over tre årtier har forskere forfulgt målet om at skabe carbon nitrider så hårde som diamanter, et projekt der startede i 1989. Nu hvor dette er opnået, markerer det en betydningsfuld milepæl inden for materialvidenskab, som nu flytter noget af fokus til, hvordan man gentagne gange kan syntetisere sådanne materialer i stor skala til kommercielle anvendelser, som tilbydes af virksomheder som dem, der er nævnt.