Carbonitriden Doorbraak Opent Deur Naar Grote Vooruitgang in de Materiaalwetenschap

Of het nu gaat om vooruitgang op het gebied van computertechnologie, duurzame energie, transport, of iets heel anders, niets hiervan zou mogelijk zijn zonder onderliggende doorbraken in de materiaalwetenschap. Terwijl sommige doorbraken potentieel belangrijker zijn dan andere – herinner je je de opwinding over een potentiële supergeleider op kamertemperatuur in het midden van 2023? – speelt elke een belangrijke rol bij het mogelijk maken van vooruitgang in een reeks sectoren naarmate de gebruikte materialen lichter, sterker, goedkoper, enzovoort worden.

Daartoe hebben wetenschappers onlangs een doel van meer dan 30 jaar bereikt: het vervaardigen van een materiaal dat harder is dan diamant uit carbonitriden. Lees verder om te ontdekken wat dit betekent, potentiële toepassingen voor zo’n product, en de bedrijven die het meest kunnen profiteren als efficiënte productieprocessen worden ontwikkeld.

De Doorbraak

De studie, getiteld “Synthesis of Ultra-Incompressible and Recoverable Carbon Nitrides Featuring CN₄ Tetrahedra“, zag onderzoekers vier koolstof-stikstofverbindingen vervaardigen,

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

Dit werd bereikt met behulp van diamantaandrukcellen, waarbij de verbindingen werden blootgesteld aan een extreem hoge druk (72 tot 134 GPa) en temperatuur (2500 K).

Bemoedigend vertoonden de resulterende verbindingen, die naar verluidt een tetraëdrische structuur met sterke covalente bindingen hadden, kenmerken zoals ultra-oncompressibiliteit en superhardheid. Bovendien toonden ze diverse eigenschappen die ze interessant kunnen maken voor een breed scala aan toepassingen. Deze omvatten,

• hoge energiedichtheid
• piezo-elektriciteit
• fotoluminescentie.

De verbindingen worden specifiek als significant beschouwd vanwege hun hardheid, die mogelijk kan wedijveren met of de hardheid van diamanten kan overtreffen. De synthese van dergelijke materialen, die eerder als theoretisch werden beschouwd, markeert een belangrijke vooruitgang in de hoge-druk materiaalkunde​.

Bulkmodulus versus Mohs-schaal

In deze studie werd vastgesteld dat de bulkmodulus van de verbindingen cijfers bereikte tot wel 419 GPa. Er wordt opgemerkt dat dit vergelijkbaar is met diamanten (446 GPa), en betekent dat “alle vier carbonitriden classificeren als ultra-oncompressibele materialen”.

Het is echter belangrijk te erkennen dat ‘bulkmodulus’ niet hetzelfde is als de Mohs-schaal, er is een duidelijk onderscheid tussen de twee metingen.

Bulkmodulus: Dit is een maat voor de weerstand van een materiaal tegen uniforme compressie en wordt uitgedrukt in eenheden van druk, zoals Pascal (Pa). Het kwantificeert hoe oncompressibel een materiaal is. Een hogere bulkmodulus betekent dat het materiaal stijver en minder samendrukbaar is, wat suggereert dat het harder kan zijn.

Mohs-schaal: Dit is een kwalitatieve en ordinale schaal die materialen rangschikt op basis van hun krasbestendigheid, relatief ten opzichte van andere materialen. Het loopt van 1 (zachtst) tot 10 (hardst). De Mohs-schaal is eenvoudiger en praktischer voor het vergelijken van de hardheid van verschillende mineralen, maar biedt geen numerieke of precieze metingen zoals de bulkmodulus.

Kort gezegd is de bulkmodulus een meer precieze methode om de hardheid van een materiaal te beoordelen, terwijl de Mohs-schaal dit indirect doet via krasbestendigheid.

Toepassingen

Door de resultaten te begrijpen, wordt het makkelijker om enkele toekomstige toepassingen voor zo’n materiaal voor te stellen. Met de gesynthetiseerde carbonitriden die een combinatie van superhardheid, piezo-elektrische eigenschappen en fotoluminescentie bezitten, zijn ze potentieel geschikt voor diverse toepassingen.

Een illustratieve weergave van potentiële toepassingen voor carbonitriden zo hard als diamanten.

Industriële toepassingen: Hun superharde aard maakt ze geschikt voor snijgereedschappen, schuurmiddelen en boorapparatuur. Ze zouden de prestaties en levensduur van deze gereedschappen aanzienlijk kunnen verbeteren.

Elektronica en opto-elektronica: De piezo-elektrische en fotoluminescente eigenschappen van deze materialen kunnen nuttig zijn bij de ontwikkeling van geavanceerde elektronische en opto-elektronische apparaten, waaronder sensoren, transducers en componenten voor lasertechnologie.

Energieopslag: Gezien hun hoge energiedichtheid zouden deze carbonitriden onderzocht kunnen worden voor gebruik in energieopslagoplossingen, wat de efficiëntie en capaciteit van batterijen of supercondensatoren zou kunnen verbeteren.

Lucht- en ruimtevaart en defensie: De combinatie van hardheid, duurzaamheid en thermische stabiliteit zou ze waardevol kunnen maken in lucht- en ruimtevaart en defensie voor componenten die materialen vereisen die extreme omstandigheden kunnen weerstaan.

Medische technologie: De biocompatibele aard van carbonitriden kan toepassingen openen in biomedische velden, zoals in protheses of als coatings voor implantaten om duurzaamheid en prestaties te verbeteren.

Duidelijk maken de eigenschappen van deze verbindingen ze zeer intrigerend, en ondanks het huidige gebrek aan praktische productieprocessen op schaal, bieden ze voldoende potentieel voor voortgezet onderzoek.

Top Geavanceerde Materiaalkundige Bedrijven

*De onderstaande cijfers waren nauwkeurig op het moment van schrijven en kunnen veranderen. Elke potentiële investeerder dient de metrics te verifiëren*

1. 3M Company

MMM Prijsgrafiek

3M Company (MMM ), beroemd om zijn innovatie in diverse wetenschappelijke en industriële domeinen, zou enorm kunnen profiteren van de nieuw gesynthetiseerde carbonitriden. Deze materialen, met hun uitzonderlijke hardheid en duurzaamheid, sluiten goed aan bij de focus van 3M op geavanceerde materiaaloplossingen voor industriële, gezondheidszorg-, consumenten- en elektronicamarkten. Met name kan hun superharde aard de schuurmiddelen en snijgereedschappen van 3M verbeteren, terwijl hun piezo-elektrische en fotoluminescente eigenschappen toepassingen kunnen vinden in elektronische componenten en optische systemen. Het integreren van carbonitriden in de productlijnen van 3M kan leiden tot de ontwikkeling van efficiëntere, duurzamere en veelzijdigere materialen, waardoor de innovatie-erfenis van het bedrijf wordt voortgezet.

2. General Electric

GE Prijsgrafiek

General Electric (GE.TO ) (GE), een multinationale conglomeraat, zou ook kunnen profiteren van de ontwikkeling van carbonitriden. GE’s diverse portfolio, variërend van luchtvaart tot energieopwekking en hernieuwbare energie, zou deze geavanceerde materialen kunnen inzetten om hun productlijnen te revolutioneren. Het adopteren van carbonitriden zou een belangrijke stap kunnen betekenen in GE’s inzet voor technologische vooruitgang en duurzaamheid.

3. Raytheon Technologies

RXT Prijsgrafiek

Tot slot zou Raytheon Technologies, een toonaangevend lucht- en ruimtevaart- en defensiebedrijf, kunnen profiteren van de recent gesynthetiseerde carbonitriden. Als leider in de ontwikkeling van geavanceerde systemen voor lucht- en ruimtevaart- en defensietoepassingen, zou Raytheon’s interesse kunnen liggen in het benutten van deze ultra-oncompressibele, superharde materialen voor de productie van lichtgewicht, hoge sterkte componenten. De uitzonderlijke eigenschappen van carbonitriden maken ze ideaal voor lucht- en ruimtevaartstructuren en defensiesystemen die materialen vereisen die extreme omgevings- en operationele omstandigheden kunnen weerstaan, waardoor de duurzaamheid en prestaties van Raytheon’s producten worden verbeterd.

Slotgedachten

Het was een lange weg om tot dit punt van de studie te komen. Al meer dan drie decennia streven wetenschappers naar het doel om carbonitriden te creëren die zo hard zijn als diamanten, een inspanning die begon in 1989. Nu dit is bereikt, markeert het een belangrijke mijlpaal in de materiaalkunde, die nu een deel van de focus verschuift naar hoe dergelijke materialen herhaaldelijk op schaal kunnen worden gesynthetiseerd voor gebruik in commerciële toepassingen die worden aangeboden door bedrijven zoals hierboven vermeld.