Η Επανάσταση στα Άνθρακες Νιτρών Ανοίγει Δρόμο για Μεγάλες Προόδους στην Επιστήμη των Υλικών

Είτε συζητάμε για τις προόδους στον τομέα της υπολογιστικής, της βιώσιμης ενέργειας, των μεταφορών ή οτιδήποτε άλλο, τίποτα από αυτά δεν θα ήταν δυνατό χωρίς τις θεμελιώδεις επαναστάσεις στην επιστήμη των υλικών. Ενώ ορισμένες επαναστάσεις έχουν τη δυνατότητα να είναι πιο σημαντικές από άλλες – θυμάστε τον ενθουσιασμό για έναν πιθανό υπεραγωγό σε θερμοκρασία δωματίου στα μέσα του 2023; – κάθε μία παίζει σημαντικό ρόλο στη διευκόλυνση της προόδου σε μια πληθώρα τομέων καθώς τα υλικά που χρησιμοποιούνται γίνονται ελαφρύτερα, πιο σκληρά, φθηνότερα κ.λπ.

Για το σκοπό αυτό, οι επιστήμονες πρόσφατα κατάφεραν να υλοποιήσουν έναν στόχο άνω των 30 ετών: την κατασκευή ενός υλικού σκληρότερου από το διαμάντι από άνθρακες νιτρών. Συνεχίστε την ανάγνωση για να καταλάβετε τι σημαίνει αυτό, τις πιθανές περιπτώσεις χρήσης ενός τέτοιου προϊόντος και τις εταιρείες που μπορεί να ωφεληθούν περισσότερο εάν αναπτυχθούν αποδοτικές διαδικασίες παραγωγής.

Η Ανακάλυψη

Η μελέτη, με τίτλο “Synthesis of Ultra-Incompressible and Recoverable Carbon Nitrides Featuring CN₄ Tetrahedra“, είδε τους ερευνητές να κατασκευάζουν τέσσερις ενώσεις άνθρακα-αζώτου,

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

Αυτό επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας κυψέλες διαμαντιού (diamond anvil cells), υποβάλλοντας τις ενώσεις σε εξαιρετικά υψηλή πίεση (72 έως 134 GPa) και θερμοκρασία (2500 K).

Ελπιδοφόρα, οι προκύπτουσες ενώσεις, που φέρονται να διαθέτουν τετραεδρική δομή με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς, παρουσίασαν χαρακτηριστικά όπως υπερ-ασυμπίεστη και υπερσκληρή. Επιπλέον, εμφάνισαν διάφορες ιδιότητες που θα μπορούσαν να τις κάνουν ελκυστικές σε ποικίλες εφαρμογές. Αυτές περιλαμβάνουν,

• υψηλή ενεργειακή πυκνότητα
• πιεζοηλεκτρικότητα
• φωτοφωταύγεια.

Οι ενώσεις θεωρούνται σημαντικές κυρίως λόγω της σκληρότητάς τους, η οποία θα μπορούσε ενδεχομένως να ανταγωνιστεί ή να ξεπεράσει αυτή των διαμαντιών. Η σύνθεση τέτοιων υλικών, που προηγουμένως θεωρούνταν θεωρητική, σηματοδοτεί σημαντική πρόοδο στην επιστήμη των υλικών υπό υψηλή πίεση​.

Μαζικός Μοντέλο έναντι της Κλίμακας Mohs

Σε αυτή τη μελέτη, διαπιστώθηκε ότι ο μαζικός μοντέλο των ενώσεων έφτασε σε τιμές έως 419 GPa. Σημειώνεται ότι αυτό είναι συγκρίσιμο με τα διαμάντια (446 GPa), και σημαίνει ότι “όλες οι τέσσερις ενώσεις άνθρακα νιτρών ταξινομούνται ως υπερ-ασυμπίεστα υλικά”.

Ωστόσο, είναι σημαντικό να αναγνωριστεί ότι ο “μαζικός μοντέλο” δεν είναι το ίδιο με την κλίμακα Mohs, καθώς υπάρχει σαφής διάκριση μεταξύ των δύο μετρήσεων.

Μαζικός Μοντέλο: Πρόκειται για μέτρηση της αντίστασης ενός υλικού στην ομοιόμορφη συμπίεση και εκφράζεται σε μονάδες πίεσης, όπως τα Pascal (Pa). Ποσοτικοποιεί το πόσο ασυμπίεστο είναι ένα υλικό. Ένας υψηλότερος μαζικός μοντέλο σημαίνει ότι το υλικό είναι πιο άκαμπτο και λιγότερο συμπιεστέο, υποδεικνύοντας ότι μπορεί να είναι σκληρότερο.

Κλίμακα Mohs: Πρόκειται για μια ποιοτική και διατακτική κλίμακα που ταξινομεί τα υλικά βάσει της αντοχής τους σε γρατσουνιές, σε σχέση με άλλα υλικά. Κυμαίνεται από 1 (το πιο μαλακό) έως 10 (το πιο σκληρό). Η κλίμακα Mohs είναι πιο απλή και πρακτική για τη σύγκριση της σκληρότητας διαφορετικών μετάλλων, αλλά δεν παρέχει αριθμητικές ή ακριβείς μετρήσεις όπως ο μαζικός μοντέλο.

Με απλά λόγια, ο μαζικός μοντέλο είναι μια πιο ακριβής μέθοδος αξιολόγησης της σκληρότητας ενός υλικού, ενώ η κλίμακα Mohs το κάνει έμμεσα μέσω της αντοχής σε γρατσουνιές.

Περιστάσεις Χρήσης

Κατανοώντας τα αποτελέσματα, γίνεται πιο εύκολο να φανταστούμε μερικές από τις μελλοντικές εφαρμογές ενός τέτοιου υλικού. Με τους άνθρακες νιτρών που έχουν συνθεθεί να διαθέτουν συνδυασμό υπερσκληρότητας, πιεζοηλεκτρικών ιδιοτήτων και φωτοφωταύγειας, είναι δυνητικά κατάλληλοι για μια ποικιλία εφαρμογών.

Μια εικονογραφική ματιά στις πιθανές εφαρμογές των άνθρακα νιτρών τόσο σκληρών όσο τα διαμάντια.

Βιομηχανικές Εφαρμογές: Η υπερσκληρή φύση τους τα καθιστά κατάλληλα για εργαλεία κοπής, λειαντικά υλικά και εξοπλισμό γεώτρησης. Θα μπορούσαν να βελτιώσουν σημαντικά την απόδοση και τη διάρκεια ζωής αυτών των εργαλείων.

Ηλεκτρονικά και Οπτοηλεκτρονικά: Οι πιεζοηλεκτρικές και φωτοφωταύγεις ιδιότητες αυτών των υλικών θα μπορούσαν να είναι επωφελείς στην ανάπτυξη προηγμένων ηλεκτρονικών και οπτοηλεκτρονικών συσκευών, συμπεριλαμβανομένων αισθητήρων, μετατροπέων και εξαρτημάτων για τεχνολογία λέιζερ.

Αποθήκευση Ενέργειας: Δεδομένης της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, αυτοί οι άνθρακες νιτρών θα μπορούσαν να εξεταστούν για χρήση σε λύσεις αποθήκευσης ενέργειας, ενδεχομένως βελτιώνοντας την αποδοτικότητα και τη χωρητικότητα μπαταριών ή υπερπυκνωτών.

Αεροδιαστημική και Άμυνα: Ο συνδυασμός σκληρότητας, ανθεκτικότητας και θερμικής σταθερότητας θα μπορούσε να τους κάνει πολύτιμους στην αεροδιαστημική και αμυντική βιομηχανία για εξαρτήματα που απαιτούν υλικά ικανά να αντέξουν ακραίες συνθήκες.

Ιατρική Τεχνολογία: Η βιοσυμβατότητα των άνθρακα νιτρών θα μπορούσε να ανοίξει εφαρμογές στον βιοϊατρικό τομέα, όπως σε προθέματα ή ως επενδύσεις για εμφυτεύματα με βελτιωμένη ανθεκτικότητα και απόδοση.

Σαφώς, οι ιδιότητες που παρουσιάζουν αυτές οι ενώσεις τις καθιστούν πολύ ελκυστικές, και παρά την τρέχουσα έλλειψη πρακτικών διαδικασιών μαζικής παραγωγής, παρουσιάζουν επαρκές δυναμικό για συνεχιζόμενη έρευνα.

Κορυφαίες Εταιρείες Προηγμένης Επιστήμης Υλικών

*Τα παρακάτω στοιχεία ήταν ακριβή τη στιγμή της συγγραφής και ενδέχεται να αλλάξουν.  Οποιοσδήποτε ενδεχόμενος επενδυτής θα πρέπει να επαληθεύσει τα μετρικά στοιχεία*

1. 3M Company

MMM Διάγραμμα τιμής

Η 3M Company (MMM ), γνωστή για την καινοτομία της σε διάφορους επιστημονικούς και βιομηχανικούς τομείς, θα μπορούσε να ωφεληθεί σημαντικά από τους πρόσφατα συνθετισμένους άνθρακες νιτρών. Αυτά τα υλικά, με την εξαιρετική σκληρότητα και ανθεκτικότητά τους, ταιριάζουν καλά με την εστίαση της 3M σε προηγμένες λύσεις υλικών για βιομηχανικές, υγειονομικές, καταναλωτικές και ηλεκτρονικές αγορές. Συγκεκριμένα, η υπερσκληρή φύση τους θα μπορούσε να ενισχύσει τα λειαντικά και τα εργαλεία κοπής της 3M, ενώ οι πιεζοηλεκτρικές και φωτοφωταύγεις ιδιότητές τους θα μπορούσαν να βρουν εφαρμογές σε ηλεκτρονικά εξαρτήματα και οπτικά συστήματα. Η ενσωμάτωση των άνθρακα νιτρών στις σειρές προϊόντων της 3M θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη πιο αποδοτικών, ανθεκτικών και ευέλικτων υλικών, ενισχύοντας την κληρονομιά καινοτομίας της εταιρείας.

2. General Electric

GE Διάγραμμα τιμής

Η General Electric (GE.TO ) (GE), ένας πολυεθνικός όμιλος, θα μπορούσε επίσης να ωφεληθεί από την ανάπτυξη των άνθρακα νιτρών. Το ευρύ χαρτοφυλάκιο της GE, που περιλαμβάνει αεροπορία, παραγωγή ενέργειας και ανανεώσιμες πηγές, θα μπορούσε να αξιοποιήσει αυτά τα προηγμένα υλικά για να επαναπροσδιορίσει τις σειρές προϊόντων της. Η υιοθέτηση των άνθρακα νιτρών θα μπορούσε να σηματοδοτήσει ένα σημαντικό βήμα στην δέσμευση της GE για τεχνολογική πρόοδο και βιωσιμότητα.

3. Raytheon Technologies

RXT Διάγραμμα τιμής

Τέλος, η Raytheon Technologies, μια εξέχουσα εταιρεία αεροδιαστημικής και άμυνας, θα μπορούσε να ωφεληθεί από τους πρόσφατα συνθετισμένους άνθρακες νιτρών. Ως ηγέτης στην ανάπτυξη προηγμένων συστημάτων για αεροδιαστημικές και αμυντικές εφαρμογές, το ενδιαφέρον της Raytheon θα μπορούσε να εστιάσει στη χρήση αυτών των υπερ-ασυμπίεστων, υπερσκληρών υλικών για την κατασκευή εξαρτημάτων υψηλής αντοχής και ελαφρού βάρους. Οι εξαιρετικές ιδιότητες των άνθρακα νιτρών τα καθιστούν ιδανικά για δομές αεροδιαστημικής και συστήματα άμυνας που απαιτούν υλικά ικανά να αντέξουν ακραίες περιβαλλοντικές και λειτουργικές συνθήκες, ενισχύοντας την ανθεκτικότητα και την απόδοση των προϊόντων της Raytheon.

Τελικές Σκέψεις

Ήταν ένας μακρύς δρόμος για να φτάσουμε στο σημείο αυτής της μελέτης. Για πάνω από τρεις δεκαετίες, οι επιστήμονες επιδίωκαν το στόχο της δημιουργίας άνθρακα νιτρών τόσο σκληρών όσο τα διαμάντια, με την προσπάθεια να ξεκινά το 1989. Τώρα που αυτό έχει επιτευχθεί, σηματοδοτεί ένα σημαντικό ορόσημο στην επιστήμη των υλικών, η οποία τώρα στρέφει μέρος της προσοχής της στο πώς να συνθέτει επανειλημμένα τέτοια υλικά σε κλίμακα για χρήση σε εμπορικές εφαρμογές που προσφέρονται από εταιρείες όπως αυτές που αναφέρονται.