Hiilen nitridin läpimurto avaa ovet merkittäviin edistysaskeliin materiaalitieteessä

Olipa kyseessä sitten edistysaskel tietojenkäsittelyssä, kestävissä energiaratkaisuissa, liikenteessä tai jossakin muussa, mikään näistä ei olisi mahdollista ilman materiaalitieteen taustalla olevia läpimurtoja. Vaikka jotkut läpimurrot voivat olla merkittävämpiä kuin toiset – muistatko kesäkuussa 2023 heränneen innostuksen mahdollisesta huoneenlämpöisestä suprajohtimesta? – jokainen näistä näyttelee tärkeää roolia edistymisen mahdollistamisessa lukuisilla aloilla, kun käytetyt materiaalit muuttuvat kevyemmiksi, vahvemmiksi, edullisemmiksi jne.

Lue eteenpäin saadaksesi selville, mitä tämä tarkoittaa, mahdolliset käyttötapaukset tällaiseen tuotteeseen ja yritykset, jotka voivat hyötyä eniten, jos tehokkaat valmistusprosessit kehittyvät.

Läpimurto

Tutkimus, jonka otsikko on “Synthesis of Ultra-Incompressible and Recoverable Carbon Nitrides Featuring CN₄ Tetrahedra“, näki tutkijoiden valmistavan neljä hiili-typpi-yhdisteä,

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

Tämä saavutettiin timantti-ankkurisoluilla, jotka altistivat yhdisteet äärimmäisen korkealle paineelle (72–134 GPa) ja lämpötilalle (2500 K).

Lupaavasti syntyneet yhdisteet, joilla on tetraedrinen rakenne ja vahvat kovalenttiset sidokset, omaavat ominaisuuksia kuten ultra‑pakottamattomuus ja superkovaus. Lisäksi ne osoittivat erilaisia ominaisuuksia, jotka voivat tehdä niistä kiinnostavia monenlaisissa sovelluksissa. Näitä olivat,

• korkea energiateho
• piezoelectriciteetti
• fotoluminesenssi​​​​.

Yhdisteitä pidetään merkittävinä erityisesti niiden kovuuden vuoksi, joka voi mahdollisesti kilpailla tai ylittää timanttien kovuuden. Tällaisen materiaalin synteesi, jota aiemmin pidettiin teoreettisena, merkitsee merkittävää edistysaskelta korkean paineen materiaalitieteessä​.

Bulk-moduuli vs. Mohsin asteikko

Tässä tutkimuksessa havaittiin, että yhdisteiden bulk-moduuli saavutti jopa 419 GPa. Tämä on verrattavissa timantteihin (446 GPa), ja tarkoittaa, että “kaikki neljä hiilen nitridia luokitellaan ultra‑pakottamattomiksi materiaaleiksi”.

On kuitenkin tärkeää ymmärtää, että ‘bulk-moduuli’ ei ole sama kuin Mohsin asteikko, ja näiden kahden mittauksen välillä on selvä ero.

Bulk-moduuli: Tämä on mitta materiaalin vastustuskyvystä tasaiselle puristukselle, ja se ilmaistaan paineyksiköissä, kuten passeleina (Pa). Se kvantifioi, kuinka pakottamaton materiaali on. Korkeampi bulk-moduuli tarkoittaa, että materiaali on jäykempi ja vähemmän pakottava, mikä viittaa mahdollisesti kovuuteen.

Mohsin asteikko: Tämä on kvalitatiivinen ja järjestysasteikko, joka luokittelee materiaalit niiden naarmuuntumiskestävyyden perusteella suhteessa muihin materiaaleihin. Se vaihtelee 1:stä (pehmein) 10:een (kovin). Mohsin asteikko on suoraviivaisempi ja käytännöllisempi eri mineraalien kovuuden vertailussa, mutta se ei tarjoa numeerisia tai tarkkoja mittauksia kuten bulk-moduuli.

Yksinkertaisesti sanottuna bulk-moduuli on tarkempi menetelmä materiaalin kovuuden arvioimiseen, kun taas Mohsin asteikko tekee sen epäsuorasti naarmuuntumiskestävyyden perusteella.

Käyttötapaukset

Tulosten ymmärtäminen tekee helpommaksi kuvitella joitakin tulevaisuuden sovelluksia tällaiseen materiaaliin. Koska syntetoidut hiilen nitridit yhdistävät superkovan, piezoelektrisen ja fotoluminesenssin ominaisuudet, ne voivat olla sopivia monenlaisiin sovelluksiin.

Kuvitteellinen katsaus hiilen nitridien mahdollisiin toteutuksiin, jotka ovat yhtä kovia kuin timantit.

Teolliset sovellukset: Niiden superkova luonne tekee niistä sopivia leikkausvälineisiin, hiontatuotteisiin ja porauslaitteisiin. Ne voisivat merkittävästi parantaa näiden välineiden suorituskykyä ja käyttöikää.

Elektroniikka ja optoelektroniikka: Näiden materiaalien piezoelektriset ja fotoluminesenssiominaisuudet voivat olla hyödyllisiä kehittyneiden elektronisten ja optoelektronisten laitteiden, kuten antureiden, muuntimien ja laseriteknologian komponenttien, kehittämisessä.

Energiavarastointi: Korkean energiatehonsa vuoksi näitä hiilen nitridiä voitaisiin tutkia energian varastointiratkaisuissa, mahdollisesti parantaen akkujen tai superkondensaattorien tehokkuutta ja kapasiteettia.

Ilmailu- ja puolustusteollisuus: Kovuus, kestävyys ja lämmönkestävyys yhdistelmä voi tehdä niistä arvokkaita ilmailu- ja puolustusteollisuudessa komponentteihin, jotka vaativat materiaaleja kestämään äärimmäisiä olosuhteita.

Lääketieteellinen teknologia: Hiilen nitridien biokompatibiliteetti voi avata sovelluksia biolääketieteellisillä aloilla, kuten proteeseissa tai implantaattien pinnoitteina kestävyyden ja suorituskyvyn parantamiseksi.

Selvästi näiden yhdisteiden ominaisuudet tekevät niistä erittäin kiehtovia, ja vaikka käytännön mittakaavassa tapahtuvaa valmistusprosessia ei vielä ole, ne tarjoavat riittävästi potentiaalia jatkotutkimukselle.

Johtavat edistyneen materiaalitieteen yritykset

*Alla olevat luvut olivat kirjoitushetkellä tarkkoja ja voivat muuttua. Mahdollisten sijoittajien tulisi tarkistaa mittarit*

1. 3M Company

MMM Hintakaavio

3M Company (MMM ), joka on tunnettu innovaatioistaan monilla tieteellisillä ja teollisilla aloilla, voisi hyötyä merkittävästi äskettäin syntetoiduista hiilen nitrideistä. Nämä materiaalit, joilla on poikkeuksellinen kova ja kestävyys, sopivat hyvin 3M:n keskittymiseen edistyneisiin materiaaliratkaisuihin teollisuuden, terveydenhuollon, kuluttaja- ja elektroniikkamarkkinoilla. Erityisesti niiden superkova luonne voisi parantaa 3M:n hiontatuotteita ja leikkausvälineitä, kun taas niiden piezoelektriset ja fotoluminesenssiominaisuudet saattaisivat löytää sovelluksia elektronisissa komponenteissa ja optisissa järjestelmissä. Hiilen nitridien sisällyttäminen 3M:n tuotevalikoimaan voisi johtaa tehokkaampien, kestävämpien ja monipuolisempien materiaalien kehittämiseen, vahvistaen yrityksen innovaatioperinnettä.

2. General Electric

GE Hintakaavio

General Electric (GE.TO ) (GE), monialainen konglomeraatti, voisi myös hyötyä hiilen nitridien kehittämisestä. GE:n monipuolinen salkku, joka kattaa ilmailun, energian tuotannon ja uusiutuvan energian, voisi hyödyntää näitä edistyneitä materiaaleja mullistaakseen tuotevalikoimaansa. Hiilen nitridien käyttöönotto voisi merkitä merkittävän askeleen GE:n sitoutumisessa teknologiseen kehitykseen ja kestävyyteen.

3. Raytheon Technologies

RXT Hintakaavio

Lopuksi Raytheon Technologies, merkittävä ilmailu- ja puolustusteollisuuden yritys, voisi hyötyä äskettäin syntetoiduista hiilen nitrideistä. Johtavana edistyneiden järjestelmien kehittäjänä ilmailu- ja puolustussovelluksissa Raytheonin kiinnostus saattaa kohdistua näiden ultra‑pakottamattomien, superkovien materiaalien hyödyntämiseen korkean lujuuden ja keveyden komponenttien valmistuksessa. Hiilen nitridien poikkeukselliset ominaisuudet tekevät niistä ihanteellisia ilmailurakenteisiin ja puolustusjärjestelmiin, jotka vaativat materiaaleja, jotka kestävät äärimmäisiä ympäristö- ja käyttöolosuhteita, parantaen Raytheonin tuotteiden kestävyyttä ja suorituskykyä.

Lopulliset ajatukset

Tämä tutkimus oli pitkä matka. Yli kolmen vuosikymmenen ajan tiedemiehet ovat pyrkineet luomaan hiilen nitridiä, joka on yhtä kovaa kuin timantti, alkaen vuonna 1989. Nyt kun tämä on saavutettu, se on merkinnyt merkittävää virstanpylvästä materiaalitieteessä, ja nyt osa huomion kohdistuu siihen, miten tällaisia materiaaleja voidaan toistuvasti synteettisesti valmistaa mittakaavassa kaupallisia sovelluksia varten, joita tarjoavat alla luetellut yritykset.