Terobosan Nitrida Karbon Membuka Peluang Baru dalam Ilmu Material

Kemajuan komputasi, energi berkelanjutan, transportasi, dan banyak bidang lain sering bergantung pada terobosan ilmu material. Sebagian penemuan menarik perhatian lebih besar — ingat klaim tentang kemungkinan superkonduktor suhu ruang pada pertengahan 2023 — tetapi material yang lebih ringan, kuat, atau murah dapat membuka peluang di berbagai sektor.

Para peneliti telah mencapai sasaran yang dikejar selama lebih dari 30 tahun: membuat nitrida karbon yang sangat keras dan berpotensi menyaingi berlian. Berikut temuan penelitian, kemungkinan penerapan, serta perusahaan yang dapat berkepentingan jika produksi berskala besar berhasil dikembangkan.

Terobosan

Studi berjudul “Sintesis Nitrida Karbon yang Sangat Sulit Dimampatkan dan Dapat Dipulihkan ke Kondisi Lingkungan dengan Tetrahedra CN₄” menjelaskan sintesis empat senyawa karbon–nitrogen. Tiga di antaranya merupakan fase yang baru diamati, sementara oP8-CN pernah dibuat sebelumnya:

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

Peneliti menggunakan sel landasan berlian berpemanas laser pada tekanan 72–134 GPa dan suhu sekitar 2.500 K. Senyawa yang dihasilkan tetap bertahan setelah dikembalikan ke tekanan dan suhu lingkungan.

Ikatan kovalen yang kuat dan unit struktur tetrahedral berkaitan dengan ketahanan terhadap pemampatan serta kekerasan yang sangat tinggi. Bergantung pada senyawanya, peneliti juga mengkaji sifat seperti:

• densitas energi tinggi
• piezoelektrik
• fotoluminesensi​​​​.

Fase baru ini menarik karena berpotensi menyaingi berlian dalam penerapan material keras. Sintesis dan kemampuannya bertahan pada kondisi lingkungan merupakan kemajuan penting dalam ilmu material bertekanan tinggi, meskipun hasilnya tidak membuktikan bahwa semua senyawa lebih keras daripada berlian.

Modulus curah dan skala Mohs

Modulus curah yang diukur mencapai 419 GPa, dibandingkan dengan sekitar 446 GPa untuk berlian. Hal ini mendukung kesimpulan bahwa keempat nitrida karbon sangat sulit dimampatkan.

Modulus curah dan skala Mohs mengukur sifat yang berbeda.

Modulus curah: Besaran ini mengukur ketahanan material terhadap perubahan volume akibat tekanan seragam. Satuannya pascal, misalnya gigapascal (GPa). Nilai yang lebih tinggi berarti material lebih sulit dimampatkan, bukan ukuran langsung kekerasan.

Skala Mohs: Skala ordinal ini mengurutkan mineral berdasarkan ketahanan terhadap goresan, dari 1 hingga 10. Selisih antara setiap tingkat tidak sama. Sifat yang diukur berbeda dari modulus curah.

Keduanya tidak dapat saling menggantikan. Kekerasan diperiksa melalui pengujian gores atau indentasi, sedangkan modulus curah menggambarkan ketahanan terhadap pemampatan.

Kemungkinan penerapan

Gabungan sifat mekanis dan sifat lain membuka beberapa arah penelitian. Tidak semua fase memiliki seluruh sifat yang disebutkan, dan kemungkinan berikut belum merupakan produk komersial yang dibuktikan oleh studi tersebut.

Ilustrasi kemungkinan penerapan nitrida karbon superkeras.

Aplikasi Industri: Kekerasan tinggi dapat berguna untuk alat potong, bahan abrasif, dan peralatan pengeboran. Penelitian lanjutan perlu menguji pengaruhnya terhadap kinerja dan umur pakai.

Elektronik dan optoelektronik: Sifat piezoelektrik dan optik yang diteliti dapat membuka peluang untuk sensor, transduser, fotodetektor, dan komponen optoelektronik lainnya.

Penyimpanan Energi: Densitas energi tinggi yang dihitung berkaitan dengan energi yang dilepaskan saat senyawa terurai menjadi grafit dan gas nitrogen. Hal ini menarik untuk material berenergi tinggi, tetapi bukan bukti bahwa senyawa tersebut merupakan elektroda baterai atau superkapasitor yang lebih baik.

Dirgantara dan Pertahanan: Lapisan pelindung keras atau perkakas tahan aus dapat menjadi arah penerapan untuk dirgantara dan pertahanan. Kelayakannya memerlukan pengujian stabilitas, perilaku retak, dan kinerja pada kondisi operasional nyata.

Teknologi Medis: Lapisan pelindung untuk prostesis atau implan dapat menjadi topik penelitian lanjutan. Studi ini tidak membuktikan biokompatibilitas fase baru tersebut; penggunaan medis memerlukan uji keamanan dan material tersendiri.

Sifat-sifatnya menjanjikan, tetapi proses produksi industri yang praktis belum tersedia. Karena itu, penelitian lanjutan masih diperlukan.

Perusahaan di bidang material maju

*Angka keuangan berikut merupakan gambaran saat publikasi awal pada 2023, bukan harga atau proyeksi terkini. Penerapan pada perusahaan di bawah ini masih berupa kemungkinan.*

1. 3M Company

MMM Grafik Harga

3M Company (MMM ) mengembangkan material untuk beragam pasar ilmiah dan industri. Nitrida karbon superkeras dapat relevan bagi bahan abrasif dan alat potong pada masa depan. Sifat piezoelektrik dan optiknya juga dapat mendorong penelitian komponen elektronik dan sistem optik. Kemungkinan ini selaras dengan bidang kegiatan 3M, tetapi studi tersebut tidak menunjukkan penerapan konkret atau kerja sama dengan perusahaan.

2. General Electric

GE Grafik Harga

General Electric (GE.TO ) (GE) mencakup bisnis penerbangan dan energi pada 2023. Karena itu, material maju dapat relevan bagi berbagai bagian perusahaan. Namun, penggunaan nitrida karbon khusus ini merupakan kemungkinan masa depan, bukan proyek perusahaan yang telah dikonfirmasi.

3. RTX, sebelumnya Raytheon Technologies

RTX Grafik Harga

RTX, sebelumnya Raytheon Technologies, mengembangkan sistem dirgantara dan pertahanan. Nitrida karbon yang sangat keras dapat menarik untuk lapisan pelindung atau perkakas tahan aus. Kesesuaiannya untuk komponen struktur yang ringan dan kuat bergantung pada sifat lain selain kekerasan. Studi ini tidak mengonfirmasi program pengembangan senyawa tersebut di RTX.

Penutup

Sejak penelitian teoretis pada 1989, para ilmuwan berusaha membuat nitrida karbon dengan kekerasan luar biasa. Sintesis fase baru yang bertahan pada kondisi lingkungan menjadi tonggak penting. Langkah berikutnya adalah meneliti produksi yang dapat diulang pada skala lebih besar dan menentukan penerapan komersial yang layak.