Percée des nitrures de carbone ouvre la voie à d’importantes avancées en science des matériaux

Qu’il s’agisse d’avancées dans le domaine de l’informatique, de l’énergie durable, des transports ou de tout autre secteur, aucune d’entre elles ne serait possible sans les percées sous-jacentes en science des matériaux. Bien que certaines percées puissent être plus significatives que d’autres – rappeler l’engouement autour d’un éventuel supraconducteur à température ambiante à la mi‑2023? – chacune joue un rôle important en facilitant le progrès dans une multitude de secteurs, les matériaux utilisés devenant plus légers, plus résistants, moins chers, etc.

Dans ce but, des scientifiques ont récemment réussi à concrétiser un objectif de plus de 30 ans consistant à fabriquer un matériau plus dur qu’un diamant à partir de nitrures de carbone. Lisez la suite pour découvrir ce que cela implique, les cas d’utilisation potentiels de ce produit, et les entreprises qui pourraient le plus en bénéficier si des processus de fabrication efficaces sont développés.

La Percée

L’étude, intitulée “Synthesis of Ultra-Incompressible and Recoverable Carbon Nitrides Featuring CN₄ Tetrahedra” a vu les chercheurs fabriquer quatre composés carbone‑azote,

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

Cela a été réalisé à l’aide de cellules à enclume diamant, soumettant les composés à une pression extrêmement élevée (72 à 134 GPa) et à une température (2500 K).

Prometteur, les composés résultants, qui présenteraient une structure tétraédrique avec des liaisons covalentes fortes, possédaient des caractéristiques telles que l’ultra‑incompressibilité et la super dureté. De plus, ils ont affiché diverses propriétés pouvant les rendre intéressants dans de nombreuses applications. Elles comprenaient,

• haute densité énergétique
• piézoélectricité
• photoluminescence​​​​.

Les composés sont considérés comme significatifs surtout en raison de leur dureté, qui pourrait potentiellement rivaliser ou dépasser celle des diamants. La synthèse de tels matériaux, auparavant considérée comme théorique, représente une avancée importante en science des matériaux à haute pression​.

Module de volume vs. Échelle de Mohs

Dans cette étude, il a été constaté que le module de volume des composés atteignait des valeurs aussi élevées que 419 GPa. Il indique que cela est comparable aux diamants (446 GPa), et signifie que « tous les quatre nitrures de carbone sont classés comme matériaux ultra‑incompressibles ».

Cependant, il est important de reconnaître que le « module de volume » n’est pas identique à l’échelle de Mohs, il existe une distinction claire entre les deux mesures.

Module de volume: Il s’agit d’une mesure de la résistance d’un matériau à la compression uniforme et elle est exprimée en unités de pression, telles que les pascals (Pa). Elle quantifie l’incompressibilité d’un matériau. Un module de volume plus élevé signifie que le matériau est plus rigide et moins compressible, ce qui suggère qu’il pourrait être plus dur.

Échelle de Mohs: Il s’agit d’une échelle qualitative et ordinale qui classe les matériaux en fonction de leur résistance aux rayures, par rapport à d’autres matériaux. Elle va de 1 (le plus doux) à 10 (le plus dur). L’échelle de Mohs est plus simple et pratique pour comparer la dureté de différents minéraux, mais elle ne fournit pas de mesures numériques ou précises comme le module de volume.

En résumé, le module de volume est une méthode plus précise pour évaluer la dureté d’un matériau, tandis que l’échelle de Mohs le fait indirectement via la résistance aux rayures.

Cas d’utilisation

Comprendre les résultats facilite l’imagination de certaines des futures applications de ce matériau. Les nitrures de carbone synthétisés, possédant une combinaison de super dureté, de propriétés piézoélectriques et de photoluminescence, sont potentiellement adaptés à une variété d’applications.

Un aperçu illustratif des implémentations potentielles des nitrures de carbone aussi durs que des diamants.

Applications industrielles: Leur nature super dure les rend adaptées aux outils de coupe, aux abrasifs et aux équipements de forage. Elles pourraient améliorer de façon significative la performance et la durée de vie de ces outils.

Électronique et optoélectronique: Les propriétés piézoélectriques et photoluminescentes de ces matériaux pourraient être bénéfiques pour le développement d’appareils électroniques et optoélectroniques avancés, y compris les capteurs, les transducteurs et les composants pour la technologie laser.

Stockage d’énergie: Étant donné leur haute densité énergétique, ces nitrures de carbone pourraient être étudiés pour des solutions de stockage d’énergie, améliorant potentiellement l’efficacité et la capacité des batteries ou des supercondensateurs.

Aérospatiale et défense: La combinaison de dureté, de durabilité et de stabilité thermique pourrait les rendre précieux dans l’aérospatiale et la défense pour des composants nécessitant des matériaux capables de résister à des conditions extrêmes.

Technologie médicale: La nature biocompatible des nitrures de carbone pourrait ouvrir des applications dans le domaine biomédical, comme les prothèses ou les revêtements d’implants afin d’améliorer leur durabilité et leurs performances.

Il est clair que les propriétés affichées par ces composés les rendent très intrigants, et malgré l’absence actuelle de processus de fabrication pratiques à grande échelle, ils offrent un potentiel suffisant pour poursuivre la recherche.

Principales entreprises de science des matériaux avancés

Bien que la percée susmentionnée concernant les nitrures de carbone soit intrigante, ce ne sera que grâce aux efforts d’entreprises, comme celles listées ci-dessous, qu’elles seront intégrées dans des produits permettant d’exploiter leur potentiel.

*Les chiffres fournis ci‑dessous étaient exacts au moment de la rédaction et sont susceptibles de changer. Tout investisseur potentiel doit vérifier les métriques*

1. 3M Company

MMM Graphique du prix

3M Company (MMM ), renommée pour son innovation dans divers domaines scientifiques et industriels, pourrait grandement bénéficier des nitrures de carbone récemment synthétisés. Ces matériaux, dotés d’une dureté et d’une durabilité exceptionnelles, correspondent bien à l’orientation de 3M vers des solutions de matériaux avancés pour les marchés industriels, de la santé, de la consommation et de l’électronique. En particulier, leur nature super dure pourrait améliorer les abrasifs et les outils de coupe de 3M, tandis que leurs propriétés piézoélectriques et photoluminescentes pourraient trouver des applications dans les composants électroniques et les systèmes optiques. L’intégration des nitrures de carbone dans les gammes de produits de 3M pourrait conduire au développement de matériaux plus efficaces, durables et polyvalents, renforçant ainsi l’héritage d’innovation de l’entreprise.

2. General Electric

GE Graphique du prix

General Electric (GE.TO ) (GE), conglomérat multinational, pourrait également tirer profit du développement des nitrures de carbone. Le portefeuille diversifié de GE, couvrant l’aviation, la production d’énergie et les énergies renouvelables, pourrait exploiter ces matériaux avancés pour révolutionner ses gammes de produits. L’adoption des nitrures de carbone pourrait constituer une étape importante dans l’engagement de GE envers le progrès technologique et la durabilité.

3. Raytheon Technologies

RXT Graphique du prix

Enfin, Raytheon Technologies, entreprise de premier plan dans l’aérospatiale et la défense, pourrait bénéficier des nitrures de carbone récemment synthétisés. En tant que leader dans le développement de systèmes avancés pour les applications aérospatiales et de défense, l’intérêt de Raytheon pourrait résider dans l’utilisation de ces matériaux ultra‑incompressibles et super durs pour fabriquer des composants à haute résistance et légers. Les propriétés exceptionnelles des nitrures de carbone les rendent idéales pour les structures aérospatiales et les systèmes de défense qui nécessitent des matériaux capables de résister à des conditions environnementales et opérationnelles extrêmes, améliorant ainsi la durabilité et les performances des produits de Raytheon.

Réflexions finales

Ce fut un long chemin pour arriver au point de cette étude. Pendant plus de trois décennies, les scientifiques ont poursuivi l’objectif de créer des nitrures de carbone aussi durs que des diamants, une quête qui a débuté en 1989. Maintenant que cela a été accompli, cela représente une étape importante en science des matériaux, qui déplace désormais une partie de l’attention vers la manière de synthétiser de façon répétée ces matériaux à grande échelle pour les utiliser dans des applications commerciales proposées par des entreprises comme celles listées.