Gennembrud med kulstofnitrider åbner nye muligheder i materialevidenskaben

Fremskridt inden for databehandling, bæredygtig energi og transport bygger ofte på gennembrud i materialevidenskab. Nogle opdagelser får mere opmærksomhed end andre — tænk på påstanden om en mulig superleder ved stuetemperatur i sommeren 2023 — men lettere, stærkere eller billigere materialer kan åbne nye muligheder i mange sektorer.

Forskere har nået et mål, som har været forfulgt i over 30 år: at fremstille meget hårde kulstofnitrider, der potentielt kan konkurrere med diamant. Her ser vi på resultaterne, mulige anvendelser og virksomheder, som kan få interesse i materialerne, hvis produktion i større skala bliver mulig.

Gennembruddet

Studiet med titlen »Syntese af ekstremt lidt komprimerbare kulstofnitrider, som kan bevares ved normale forhold, med CN₄-tetraedre« beskriver syntesen af fire kulstof-kvælstofforbindelser. Tre var hidtil uobserverede faser, mens oP8-CN tidligere var fremstillet:

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

Forskerne brugte laseropvarmede diamantamboltceller ved tryk på 72–134 GPa og temperaturer omkring 2.500 K. Forbindelserne kunne bevares efter tilbagevenden til omgivelsernes tryk og temperatur.

Stærke kovalente bindinger og tetraedriske strukturenheder hænger sammen med meget lav komprimerbarhed og superhårdhed. Afhængigt af forbindelsen undersøgte forskerne også egenskaber som:

• høj energitæthed
• piezoelektricitet
• fotoluminescens.

De nye faser er interessante på grund af deres potentiale som konkurrenter til diamant i hårde materialer. Syntesen og muligheden for at bevare dem ved normale forhold er et vigtigt fremskridt i højtryksforskningen. Resultaterne viser dog ikke, at alle forbindelserne er hårdere end diamant.

Bulkmodul vs. Mohs-skala

De målte bulkmoduler nåede op på 419 GPa mod omkring 446 GPa for diamant. Det understøtter konklusionen om, at alle fire kulstofnitrider er ekstremt lidt komprimerbare.

Bulkmodulet og Mohs-skalaen måler forskellige egenskaber.

Bulkmodul: Dette er et mål for modstanden mod volumenændring ved ensartet tryk. Enheden er pascal, eksempelvis gigapascal (GPa). Et højere bulkmodul betyder mindre komprimerbarhed og er ikke en direkte måling af hårdhed.

Mohs-skala: Denne ordinale skala rangerer mineraler efter ridsemodstand fra 1 til 10. Afstanden mellem de enkelte trin er ikke ens. Den måler noget andet end bulkmodulet.

Målene kan derfor ikke erstatte hinanden. Hårdhed undersøges med ridse- eller indtrykningsprøver, mens bulkmodulet beskriver komprimerbarhed.

Anvendelsesområder

Kombinationen af mekaniske og andre egenskaber åbner flere forskningsretninger. Ikke alle faser har alle de nævnte egenskaber, og anvendelserne nedenfor er muligheder, ikke kommercielle produkter dokumenteret i studiet.

Illustration af mulige anvendelser af superhårde kulstofnitrider.

Industrielle anvendelser: Superhårdheden kan være interessant for skæreværktøjer, slibemidler og boreudstyr. Videre undersøgelser skal vise, om materialerne forbedrer ydeevnen og levetiden.

Elektronik og optoelektronik: De undersøgte piezoelektriske og optiske egenskaber kan åbne muligheder for sensorer, transducere, fotodetektorer og andre optoelektroniske komponenter.

Energilagring: Den beregnede høje energitæthed vedrører energi, der frigives, når forbindelserne nedbrydes til grafit og kvælstofgas. Det gør dem interessante som energirige materialer, men dokumenterer ikke forbedrede elektroder til batterier eller superkondensatorer.

Luft- og rumfart samt forsvar: Hårde beskyttelsesbelægninger og slidstærke værktøjer kan blive relevante for luftfart, rumfart og forsvar. Egnetheden kræver blandt andet undersøgelser af stabilitet, brudegenskaber og funktion under faktiske driftsforhold.

Medicinsk teknologi: Beskyttende belægninger til proteser eller implantater er en mulig videre forskningsretning. Studiet dokumenterer ikke biokompatibilitet for de nye faser; medicinsk brug kræver særskilte sikkerheds- og materialeforsøg.

Egenskaberne er lovende, men praktiske fremstillingsprocesser i industriel skala mangler stadig. Der er derfor god grund til videre forskning.

Virksomheder inden for avancerede materialer

*De følgende finansielle øjebliksbilleder stammer fra den oprindelige artikel fra 2023 og er ikke aktuelle kurser eller prognoser. De omtalte virksomhedsanvendelser er muligheder.*

1. 3M Company

MMM Prisdiagram

3M Company (MMM ) udvikler materialer til mange videnskabelige og industrielle markeder, herunder sundhed, forbrugsvarer og elektronik. Superhårde kulstofnitrider kan på sigt være relevante for slibemidler og skæreværktøjer. Piezoelektriske og optiske egenskaber kan også motivere forskning i elektroniske komponenter og optiske systemer. Det passer til virksomhedens beskrevne aktivitetsområder, men studiet dokumenterer ikke en konkret anvendelse eller et samarbejde med 3M.

2. General Electric

GE Prisdiagram

General Electric (GE.TO ) (GE) omfattede i 2023 både luftfart, energiproduktion og vedvarende energi. Avancerede materialer kunne derfor være relevante for flere dele af koncernen. Anvendelsen af netop disse kulstofnitrider er dog en mulig fremtidig udvikling og ikke et bekræftet virksomhedsprojekt.

3. RTX, tidligere Raytheon Technologies

RTX Prisdiagram

RTX, tidligere Raytheon Technologies, udvikler luftfarts- og forsvarssystemer. Meget hårde kulstofnitrider kan på sigt være interessante som beskyttelsesbelægninger eller i slidstærke værktøjer. Egnethed til lette og stærke konstruktionsdele afhænger også af andre egenskaber end hårdhed. Studiet bekræfter ikke et udviklingsprogram for disse forbindelser hos RTX.

Afsluttende tanker

Siden det teoretiske arbejde i 1989 har forskere forsøgt at fremstille kulstofnitrider med usædvanlig hårdhed. Syntesen af nye faser, som kan bevares ved normale forhold, er en væsentlig milepæl. Det næste skridt er at undersøge reproducerbar fremstilling i større skala og mulige kommercielle anvendelser.