Doorbraak met koolstofnitriden biedt nieuwe mogelijkheden voor de materiaalkunde

Vooruitgang in computertechnologie, duurzame energie en vervoer steunt vaak op doorbraken in de materiaalkunde. Sommige ontdekkingen trekken meer aandacht dan andere — denk aan de ophef over een mogelijke supergeleider bij kamertemperatuur medio 2023 — maar lichtere, sterkere of goedkopere materialen kunnen in allerlei sectoren nieuwe toepassingen mogelijk maken.

Onderzoekers hebben een doel bereikt waar al meer dan dertig jaar aan wordt gewerkt: de synthese van zeer harde koolstofnitriden die mogelijk met diamant kunnen wedijveren. Hieronder bespreken we de bevindingen, denkbare toepassingen en bedrijven waarvoor zulke materialen relevant zouden kunnen worden als productie op grotere schaal mogelijk blijkt.

De doorbraak

De studie, getiteld «Synthese van uiterst onsamendrukbare en onder normale omstandigheden terugwinbare koolstofnitriden met CN₄-tetraëders», beschrijft vier koolstof-stikstofverbindingen. Drie waren nieuw waargenomen fasen; oP8-CN was al eerder experimenteel gemaakt:

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

De onderzoekers gebruikten laserverhitte diamant-aambeeldcellen bij drukken van 72 tot 134 GPa en temperaturen rond 2.500 K. De verkregen verbindingen bleven ook na terugkeer naar omgevingsdruk en -temperatuur behouden.

De sterke covalente bindingen en tetraëdrische bouwstenen hangen samen met een zeer geringe samendrukbaarheid en superhardheid. Afhankelijk van de verbinding onderzochten de auteurs ook eigenschappen zoals:

• hoge energiedichtheid
• piezo-elektriciteit
• fotoluminescentie.

De nieuwe fasen zijn interessant vanwege hun mogelijke concurrentie met diamant in harde materialen. De synthese en het behoud bij omgevingsomstandigheden vormen een belangrijke stap in de hogedrukmateriaalkunde; een algemene uitspraak dat alle verbindingen harder zijn dan diamant gaat verder dan de resultaten.

Bulkmodulus versus Mohs-schaal

De gemeten bulkmoduli liepen op tot 419 GPa, tegenover ongeveer 446 GPa voor diamant. Dat ondersteunt de conclusie dat alle vier de koolstofnitriden uiterst onsamendrukbaar zijn.

De bulkmodulus en de schaal van Mohs meten echter verschillende eigenschappen.

Bulkmodulus: Deze grootheid beschrijft de weerstand tegen volumeverandering bij gelijkmatige druk en wordt uitgedrukt in pascal, bijvoorbeeld gigapascal (GPa). Een hogere waarde betekent dat een materiaal minder gemakkelijk wordt samengedrukt. Het is geen rechtstreekse hardheidsmeting.

Mohs-schaal: Deze ordinale schaal rangschikt mineralen naar hun weerstand tegen krassen, van 1 tot 10. De verschillen tussen opeenvolgende waarden zijn niet gelijk. De schaal meet iets anders dan de bulkmodulus.

De twee maten zijn dus niet uitwisselbaar. Om hardheid te beoordelen zijn kras- of indrukkingsproeven nodig; de bulkmodulus beschrijft samendrukbaarheid.

Toepassingen

De combinatie van mechanische en andere eigenschappen maakt verschillende onderzoeksrichtingen denkbaar. Niet elke koolstofnitridefase bezit alle genoemde eigenschappen, en de onderstaande toepassingen zijn nog geen aangetoonde commerciële producten van deze studie.

Illustratie van mogelijke toepassingen van superharde koolstofnitriden.

Industriële toepassingen: De superhardheid kan interessant zijn voor snijgereedschap, schuurmiddelen en boorapparatuur. Verder onderzoek moet uitwijzen of zulke materialen de prestaties en levensduur van gereedschap verbeteren.

Elektronica en opto-elektronica: De onderzochte piëzo-elektrische en optische eigenschappen kunnen mogelijkheden bieden voor sensoren, omzetters, fotodetectoren en andere opto-elektronische onderdelen.

Energieopslag: De hoge berekende energiedichtheid betreft energie die kan vrijkomen bij ontleding in grafiet en stikstofgas. Dat maakt de verbindingen interessant als energierijke materialen, maar toont niet aan dat ze betere elektroden voor batterijen of supercondensatoren zijn.

Lucht- en ruimtevaart en defensie: Harde beschermende coatings of slijtvast gereedschap kunnen op termijn relevant worden voor luchtvaart en defensie. Daarvoor moeten onder meer stabiliteit, breukgedrag en prestaties onder werkelijke gebruiksomstandigheden worden onderzocht.

Medische technologie: Beschermende coatings voor implantaten of prothesen zijn een mogelijke verdere onderzoeksrichting. De studie toont geen biocompatibiliteit van deze nieuwe fasen aan; voor medische toepassing zijn afzonderlijke veiligheids- en materiaalproeven nodig.

De eigenschappen zijn veelbelovend, maar praktische productie op industriële schaal ontbreekt nog. Dat is een belangrijke reden om het onderzoek voort te zetten.

Bedrijven in geavanceerde materialen

*De onderstaande financiële momentopnamen stammen uit de oorspronkelijke publicatie van 2023 en zijn geen actuele koersen of ramingen. De mogelijke bedrijfstoepassingen zijn verkennend.*

1. 3M Company

MMM Prijsgrafiek

3M Company (MMM ) ontwikkelt materialen voor uiteenlopende wetenschappelijke en industriële markten. Superharde koolstofnitriden zouden op termijn relevant kunnen zijn voor bijvoorbeeld schuurmiddelen en snijgereedschap. Piëzo-elektrische en optische eigenschappen kunnen daarnaast aanleiding geven tot onderzoek naar elektronische en optische onderdelen. Deze mogelijkheden passen bij de beschreven activiteiten van 3M, maar de studie toont geen concrete toepassing of samenwerking met het bedrijf aan.

2. General Electric

GE Prijsgrafiek

General Electric (GE.TO ) (GE) omvatte in 2023 zowel luchtvaart- als energieactiviteiten. Geavanceerde materialen konden daarom relevant zijn voor verschillende onderdelen van het concern. Het gebruik van deze specifieke koolstofnitriden is hier een mogelijke toekomstige toepassing, geen bevestigd bedrijfsproject.

3. RTX, voorheen Raytheon Technologies

RTX Prijsgrafiek

RTX, voorheen Raytheon Technologies, ontwikkelt luchtvaart- en defensiesystemen. Zeer harde koolstofnitriden kunnen op termijn interessant zijn voor beschermende coatings of slijtvast gereedschap. Of ze ook geschikt zijn voor lichte, sterke constructiedelen hangt af van meer eigenschappen dan hardheid alleen. De studie bevestigt geen ontwikkelingsprogramma bij RTX voor deze verbindingen.

Slotgedachten

Sinds het theoretische werk uit 1989 zoeken onderzoekers naar koolstofnitriden met uitzonderlijke hardheid. De synthese van nieuwe fasen die bij omgevingsomstandigheden behouden blijven is een belangrijke mijlpaal. Vervolgonderzoek moet uitwijzen hoe ze reproduceerbaar op grotere schaal kunnen worden gemaakt en welke commerciële toepassingen haalbaar zijn.