Hiilinitridien läpimurto avaa uusia mahdollisuuksia materiaalitieteessä

Tietotekniikan, kestävän energian ja liikenteen kehitys perustuu usein materiaalitieteen läpimurtoihin. Osa saa enemmän huomiota kuin toiset, kuten kesällä 2023 esitetty väite huoneenlämpöisestä suprajohteesta. Kevyemmät, lujemmat ja edullisemmat materiaalit voivat silti mahdollistaa uusia ratkaisuja monilla aloilla.

Tutkijat ovat saavuttaneet yli kolmekymmentä vuotta tavoitellun edistysaskeleen: erittäin kovien hiilinitridien valmistamisen. Niiden ominaisuudet voivat kilpailla timantin kanssa. Seuraavassa käsitellään tutkimustuloksia, mahdollisia käyttökohteita ja yrityksiä, joille materiaalit saattavat olla merkityksellisiä, jos suuremman mittakaavan valmistus onnistuu.

Läpimurto

Tutkimus ”Erittäin heikosti kokoonpuristuvien ja normaalioloihin palautettavien, CN₄-tetraedrejä sisältävien hiilinitridien synteesi” kuvaa neljän hiili-typpiyhdisteen valmistamista. Kolme faasia havaittiin ensimmäistä kertaa, kun taas oP8-CN oli valmistettu aiemmin:

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

Tutkijat käyttivät laserkuumennettuja timanttipuristimia 72–134 GPa:n paineessa ja noin 2 500 kelvinin lämpötilassa. Yhdisteet säilyivät myös palautettaessa ne ympäristön paineeseen ja lämpötilaan. Vahvat kovalenttiset sidokset ja tetraedriset rakenneyksiköt liittyvät erittäin vähäiseen kokoonpuristuvuuteen ja suureen kovuuteen. Yhdisteestä riippuen tutkittiin myös seuraavia ominaisuuksia:

• suuri energiatiheys
• pietsosähköisyys
• fotoluminesenssi.

Uudet faasit ovat kiinnostavia, koska ne voivat kilpailla timantin kanssa kovien materiaalien sovelluksissa. Niiden valmistaminen ja säilyminen normaalioloissa on merkittävä edistysaskel korkeapainetutkimuksessa. Tulokset eivät kuitenkaan osoita kaikkien yhdisteiden olevan timanttia kovempia.

Tilavuuskimmomoduuli ja Mohsin asteikko

Mitattu tilavuuskimmomoduuli oli suurimmillaan 419 GPa, kun timantin vastaava arvo on noin 446 GPa. Tämä tukee päätelmää, että kaikki neljä hiilinitridiä ovat erittäin heikosti kokoonpuristuvia.

Tilavuuskimmomoduuli ja Mohsin asteikko mittaavat eri ominaisuuksia.

Tilavuuskimmomoduuli: Suure kuvaa materiaalin vastusta tilavuuden muutokselle tasaisessa paineessa. Sen yksikkö on pascal, esimerkiksi gigapascal (GPa). Suurempi arvo tarkoittaa vähäisempää kokoonpuristuvuutta, eikä se ole suora kovuusmittaus.

Mohsin asteikko: Tämä järjestysasteikko luokittelee mineraalit naarmutuskestävyyden mukaan arvoihin 1–10. Peräkkäisten arvojen erot eivät ole yhtä suuria. Asteikko mittaa eri asiaa kuin tilavuuskimmomoduuli.

Näitä mittareita ei siis voi käyttää toistensa korvikkeina. Kovuutta tutkitaan naarmutus- tai painaumakokeilla, kun taas tilavuuskimmomoduuli kuvaa kokoonpuristuvuutta.

Mahdolliset käyttökohteet

Mekaanisten ja muiden ominaisuuksien yhdistelmä avaa useita tutkimussuuntia. Kaikilla faaseilla ei ole kaikkia mainittuja ominaisuuksia, ja seuraavat käyttökohteet ovat mahdollisuuksia, eivät tutkimuksessa osoitettuja kaupallisia tuotteita.

Havainnekuva superkovien hiilinitridien mahdollisista käyttökohteista.

Teolliset sovellukset: Suuri kovuus voi olla hyödyllinen leikkuutyökaluissa, hiomatuotteissa ja porauslaitteissa. Jatkotutkimuksissa on selvitettävä vaikutukset suorituskykyyn ja käyttöikään.

Elektroniikka ja optoelektroniikka: Tutkitut pietsosähköiset ja optiset ominaisuudet voivat tarjota mahdollisuuksia antureihin, muuntimiin, valoilmaisimiin ja muihin optoelektronisiin osiin.

Energiavarastointi: Laskettu suuri energiatiheys koskee energiaa, joka vapautuu yhdisteen hajotessa grafiitiksi ja typpikaasuksi. Tämä tekee niistä kiinnostavia energiarikkaina materiaaleina, mutta ei osoita niitä paremmiksi akku- tai superkondensaattorielektrodeiksi.

Ilmailu- ja puolustusteollisuus: Kovat suojapinnoitteet ja kulutusta kestävät työkalut voivat tulevaisuudessa kiinnostaa ilmailu- ja puolustusteollisuutta. Soveltuvuus edellyttää muun muassa stabiilisuuden, murtumiskäyttäytymisen ja todellisten käyttöolosuhteiden tutkimista.

Lääketieteellinen teknologia: Proteesien tai implanttien suojapinnoitteet ovat mahdollinen jatkotutkimuksen kohde. Tutkimus ei osoita uusien faasien biologista yhteensopivuutta, vaan lääketieteellinen käyttö edellyttäisi erillisiä turvallisuus- ja materiaalikokeita.

Ominaisuudet ovat lupaavia, mutta käytännöllinen teollisen mittakaavan valmistus puuttuu vielä. Jatkotutkimukselle on siksi selvä tarve.

Edistyneiden materiaalien yrityksiä

*Seuraavat talousluvut ovat alkuperäisen vuoden 2023 julkaisun tilannekuvia, eivät nykyisiä kursseja tai ennusteita. Yrityksiä koskevat sovellukset ovat tässä mahdollisia tutkimussuuntia.*

1. 3M Company

MMM Hintakaavio

3M Company (MMM ) kehittää materiaaleja useille tieteellisille ja teollisille markkinoille. Superkovat hiilinitridit voivat tulevaisuudessa kiinnostaa esimerkiksi hiomatuotteiden ja leikkuutyökalujen kehitystä. Pietsosähköiset ja optiset ominaisuudet voivat puolestaan johtaa elektronisten ja optisten osien tutkimukseen. Nämä mahdollisuudet sopivat 3M:n kuvattuun toimintaan, mutta tutkimus ei osoita konkreettista sovellusta tai yhteistyötä yhtiön kanssa.

2. General Electric

GE Hintakaavio

General Electric (GE.TO ) (GE) käsitti vuonna 2023 sekä ilmailu- että energiatoimintoja. Uudet materiaalit saattoivat siksi olla merkityksellisiä useille konsernin osille. Näiden nimenomaisten hiilinitridien käyttö on kuitenkin mahdollinen tuleva sovellus, ei vahvistettu yrityshanke.

3. RTX, entinen Raytheon Technologies

RTX Hintakaavio

RTX, entinen Raytheon Technologies, kehittää ilmailu- ja puolustusjärjestelmiä. Erittäin kovat hiilinitridit voivat tulevaisuudessa kiinnostaa suojapinnoitteiden ja kulutusta kestävien työkalujen kehittäjiä. Soveltuvuus kevyisiin ja lujiin rakenneosiin riippuu kuitenkin muistakin ominaisuuksista kuin kovuudesta. Tutkimus ei vahvista näihin yhdisteisiin liittyvää kehitysohjelmaa RTX:llä.

Lopuksi

Vuoden 1989 teoreettisesta työstä lähtien tutkijat ovat tavoitelleet poikkeuksellisen kovia hiilinitridejä. Uusien normaalioloissa säilyvien faasien valmistaminen on tärkeä virstanpylväs. Jatkossa on selvitettävä toistettava valmistus suuremmassa mittakaavassa ja kaupallisten käyttökohteiden toteuttamiskelpoisuus.