Durchbruch bei Kohlenstoffnitriden eröffnet Weg für bedeutende Fortschritte in der Materialwissenschaft

Ob man über Fortschritte in der Computertechnik, nachhaltiger Energie, dem Transport oder etwas völlig anderem spricht, all das wäre ohne grundlegende Durchbrüche in der Materialwissenschaft nicht möglich. Während einige Durchbrüche das Potenzial haben, bedeutender zu sein als andere – erinnern Sie sich an die Aufregung über einen potenziellen Supraleiter bei Raumtemperatur Mitte 2023? – spielt jeder eine wichtige Rolle bei der Förderung des Fortschritts in einer Vielzahl von Sektoren, da die verwendeten Materialien leichter, stärker, günstiger usw. werden.

Zu diesem Zweck haben Wissenschaftler kürzlich ein über 30 Jahre altes Ziel erreicht, ein Material härter als Diamant aus Kohlenstoffnitriden herzustellen. Lesen Sie weiter, um zu erfahren, was das bedeutet, welche potenziellen Anwendungsfälle es gibt und welche Unternehmen am meisten profitieren könnten, wenn effiziente Herstellungsprozesse entwickelt werden.

Der Durchbruch

Die Studie mit dem Titel “Synthesis of Ultra-Incompressible and Recoverable Carbon Nitrides Featuring CN₄ Tetrahedra” zeigte, dass Forscher vier Kohlenstoff‑Stickstoff‑Verbindungen herstellten,

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

Dies wurde mit Diamantendrahtzellen erreicht, indem die Verbindungen einem extrem hohen Druck (72 bis 134 GPa) und einer Temperatur von 2500 K ausgesetzt wurden.

Vielversprechend wiesen die resultierenden Verbindungen, die eine tetraedrische Struktur mit starken kovalenten Bindungen besitzen, Eigenschaften wie Ultra‑Inkompressibilität und Superhärte auf. Darüber hinaus zeigten sie verschiedene Eigenschaften, die sie für eine Vielzahl von Anwendungen interessant machen könnten. Dazu gehörten,

• hohe Energiedichte
• Piezoelektrizität
• Photolumineszenz.

Die Verbindungen werden insbesondere wegen ihrer Härte als bedeutend angesehen, die potenziell mit Diamanten konkurrieren oder sie übertreffen könnte. Die Synthese solcher Materialien, die zuvor als theoretisch galt, stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Hochdruck‑Materialwissenschaft dar.

Bulk‑Modul vs. Mohs‑Skala

In dieser Studie wurde festgestellt, dass das Bulk‑Modul der Verbindungen Werte von bis zu 419 GPa erreichte. Es wird darauf hingewiesen, dass dies mit Diamanten (446 GPa) vergleichbar ist und bedeutet, dass „alle vier Kohlenstoffnitriden als ultra‑incompressible Materialien eingestuft werden“.

Es ist jedoch wichtig zu erkennen, dass das „Bulk‑Modul“ nicht dasselbe ist wie die Mohs‑Skala, da zwischen den beiden Messungen ein klarer Unterschied besteht.

Bulk‑Modul: Dies ist ein Maß für den Widerstand eines Materials gegen gleichmäßige Kompression und wird in Druckeinheiten wie Pascal (Pa) angegeben. Es quantifiziert, wie inkompressibel ein Material ist. Ein höheres Bulk‑Modul bedeutet, dass das Material steifer und weniger komprimierbar ist, was darauf hindeuten kann, dass es härter ist.

Mohs‑Skala: Dies ist eine qualitative und ordinale Skala, die Materialien basierend auf ihrer Kratzfestigkeit im Vergleich zu anderen Materialien einordnet. Sie reicht von 1 (am weichsten) bis 10 (am härtesten). Die Mohs‑Skala ist einfacher und praktischer für den Vergleich der Härte verschiedener Mineralien, liefert jedoch keine numerischen oder präzisen Messungen wie das Bulk‑Modul.

Einfach ausgedrückt ist das Bulk‑Modul eine präzisere Methode zur Bewertung der Härte eines Materials, während die Mohs‑Skala dies indirekt über die Kratzfestigkeit tut.

Anwendungsfälle

Wenn man die Ergebnisse versteht, wird es einfacher, sich einige zukünftige Anwendungen für ein solches Material vorzustellen. Da die synthetisierten Kohlenstoffnitriden eine Kombination aus Superhärte, piezoelektrischen Eigenschaften und Photolumineszenz besitzen, sind sie potenziell für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet.

Eine illustrative Darstellung möglicher Anwendungen von Kohlenstoffnitriden, die so hart wie Diamanten sind.

Industrielle Anwendungen: Ihre superharte Natur macht sie geeignet für Schneidwerkzeuge, Schleifmittel und Bohrgeräte. Sie könnten die Leistung und Lebensdauer dieser Werkzeuge erheblich verbessern.

Elektronik und Optoelektronik: Die piezoelektrischen und photolumineszenten Eigenschaften dieser Materialien könnten bei der Entwicklung fortschrittlicher elektronischer und optoelektronischer Geräte von Nutzen sein, einschließlich Sensoren, Wandlern und Komponenten für Lasertechnologie.

Energiespeicherung: Angesichts ihrer hohen Energiedichte könnten diese Kohlenstoffnitriden für Energiespeicherlösungen untersucht werden, was die Effizienz und Kapazität von Batterien oder Superkondensatoren potenziell steigern könnte.

Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung: Die Kombination aus Härte, Haltbarkeit und thermischer Stabilität könnte sie für die Luft- und Raumfahrt sowie die Verteidigung wertvoll machen, insbesondere für Komponenten, die Materialien benötigen, die extremen Bedingungen standhalten.

Medizintechnik: Die biokompatible Natur von Kohlenstoffnitriden könnte Anwendungen im biomedizinischen Bereich ermöglichen, beispielsweise in Prothesen oder als Beschichtungen für Implantate, um Haltbarkeit und Leistung zu verbessern.

Offensichtlich machen die von diesen Verbindungen gezeigten Eigenschaften sie sehr interessant, und trotz des derzeitigen Mangels an praktischen Herstellungsprozessen im großen Maßstab bieten sie genug Potenzial für weitere Forschung.

Top-Unternehmen der fortgeschrittenen Materialwissenschaft

*Die unten angegebenen Zahlen waren zum Zeitpunkt der Erstellung korrekt und können sich ändern. Jeder potenzielle Investor sollte die Kennzahlen überprüfen*

1. 3M Company

MMM Preisdiagramm

3M Company (MMM ), bekannt für seine Innovationen in verschiedensten wissenschaftlichen und industriellen Bereichen, könnte stark von den neu synthetisierten Kohlenstoffnitriden profitieren. Diese Materialien, mit ihrer außergewöhnlichen Härte und Haltbarkeit, passen gut zu 3Ms Fokus auf fortschrittliche Materiallösungen für industrielle, Gesundheits‑, Verbraucher‑ und Elektronikmärkte. Insbesondere könnte ihre superharte Natur die Schleif‑ und Schneidwerkzeuge von 3M verbessern, während ihre piezoelektrischen und photolumineszenten Eigenschaften in elektronischen Bauteilen und optischen Systemen Anwendung finden könnten. Die Integration von Kohlenstoffnitriden in die Produktlinien von 3M könnte zur Entwicklung effizienterer, langlebigerer und vielseitigerer Materialien führen und das Innovations‑Erbe des Unternehmens weiter stärken.

2. General Electric

GE Preisdiagramm

General Electric (GE.TO ) (GE), ein multinationaler Konglomerat, könnte ebenfalls von der Entwicklung von Kohlenstoffnitriden profitieren. Das breit gefächerte Portfolio von GE, das Luftfahrt, Stromerzeugung und erneuerbare Energien umfasst, könnte diese fortschrittlichen Materialien nutzen, um seine Produktlinien zu revolutionieren. Die Einführung von Kohlenstoffnitriden könnte einen bedeutenden Schritt in GE‑s Engagement für technologische Weiterentwicklung und Nachhaltigkeit darstellen.

3. Raytheon Technologies

RXT Preisdiagramm

Abschließend könnte Raytheon Technologies, ein führendes Unternehmen im Bereich Luft‑ und Raumfahrt sowie Verteidigung, von den kürzlich synthetisierten Kohlenstoffnitriden profitieren. Als Vorreiter bei der Entwicklung fortschrittlicher Systeme für Luft‑ und Raumfahrt‑ und Verteidigungsanwendungen könnte Raytheon daran interessiert sein, diese ultra‑incompressiblen, superharten Materialien für die Fertigung von hochfesten, leichten Komponenten zu nutzen. Die außergewöhnlichen Eigenschaften von Kohlenstoffnitriden machen sie ideal für Luft‑ und Raumfahrtstrukturen sowie Verteidigungssysteme, die Materialien benötigen, die extremen Umwelt‑ und Betriebsbedingungen standhalten, und steigern so die Haltbarkeit und Leistung von Raytheons Produkten.

Fazit

Es war ein langer Weg, um zu dem Punkt dieser Studie zu gelangen. Über drei Jahrzehnte hinweg haben Wissenschaftler das Ziel verfolgt, Kohlenstoffnitriden zu erschaffen, die so hart wie Diamanten sind, wobei das Vorhaben 1989 begann. Jetzt, wo dies erreicht wurde, markiert es einen bedeutenden Meilenstein in der Materialwissenschaft, der nun einen Teil des Fokus darauf verlagert, wie solche Materialien wiederholt im großen Maßstab synthetisiert werden können, um sie in kommerziellen Anwendungen zu nutzen, die von Unternehmen wie den genannten angeboten werden.