Gjennombrudd med karbonnitrider åpner nye muligheter i materialvitenskapen

Fremskritt innen databehandling, bærekraftig energi og transport bygger ofte på gjennombrudd i materialvitenskap. Noen oppdagelser får større oppmerksomhet enn andre — tenk på påstanden om en mulig superleder ved romtemperatur sommeren 2023 — men lettere, sterkere eller billigere materialer kan åpne nye muligheter i mange sektorer.

Forskere har nådd et mål som har vært forfulgt i over 30 år: å fremstille svært harde karbonnitrider som potensielt kan konkurrere med diamant. Her ser vi på resultatene, mulige bruksområder og selskaper som kan få interesse av materialene dersom produksjon i større skala blir mulig.

Gjennombruddet

Studien med tittelen «Syntese av ekstremt lite komprimerbare karbonnitrider som kan bevares ved normale forhold, med CN₄-tetraedre» beskriver syntesen av fire karbon-nitrogenforbindelser. Tre var nye observerte faser, mens oP8-CN var fremstilt tidligere:

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

Forskerne brukte laseroppvarmede diamantamboltceller ved trykk på 72–134 GPa og temperaturer rundt 2 500 K. Forbindelsene kunne bevares etter tilbakeføring til omgivelsenes trykk og temperatur.

Sterke kovalente bindinger og tetraedriske strukturenheter henger sammen med svært lav komprimerbarhet og superhardhet. Avhengig av forbindelsen undersøkte forskerne også egenskaper som:

• høy energitetthet
• piezoelektrisitet
• fotoluminescens.

De nye fasene er interessante fordi de potensielt kan konkurrere med diamant i harde materialer. Syntesen og muligheten for å bevare dem ved normale forhold er et viktig fremskritt i høytrykksforskningen. Resultatene viser likevel ikke at alle forbindelsene er hardere enn diamant.

Volummodul og Mohs-skalaen

De målte volummodulene nådde opptil 419 GPa, mot omtrent 446 GPa for diamant. Dette støtter konklusjonen om at alle fire karbonnitridene er ekstremt lite komprimerbare.

Volummodulen og Mohs-skalaen måler forskjellige egenskaper.

Volummodul: Dette er et mål på motstanden mot volumendring under jevnt trykk. Enheten er pascal, for eksempel gigapascal (GPa). En høyere verdi betyr at materialet er mindre komprimerbart, og er ikke en direkte måling av hardhet.

Mohs‑skalaen: Denne ordinale skalaen rangerer mineraler etter ripemotstand fra 1 til 10. Avstanden mellom trinnene er ikke lik. Skalaen måler noe annet enn volummodulen.

Målene kan derfor ikke erstatte hverandre. Hardhet undersøkes med ripe- eller inntrykkstester, mens volummodulen beskriver komprimerbarhet.

Bruksområder

Kombinasjonen av mekaniske og andre egenskaper åpner flere forskningsretninger. Ikke alle faser har alle de nevnte egenskapene, og bruksområdene nedenfor er muligheter, ikke kommersielle produkter dokumentert i studien.

Illustrasjon av mulige bruksområder for superharde karbonnitrider.

Industrielle anvendelser: Superhardheten kan være interessant for skjæreverktøy, slipemidler og boreutstyr. Videre undersøkelser må vise om materialene forbedrer ytelsen og levetiden.

Elektronikk og optoelektronikk: De undersøkte piezoelektriske og optiske egenskapene kan åpne muligheter for sensorer, transdusere, fotodetektorer og andre optoelektroniske komponenter.

Energilagring: Den beregnede høye energitettheten gjelder energi som frigjøres når forbindelsene brytes ned til grafitt og nitrogengass. Det gjør dem interessante som energirike materialer, men dokumenterer ikke bedre elektroder til batterier eller superkondensatorer.

Luftfart og forsvar: Harde beskyttende belegg og slitesterke verktøy kan bli relevante for luftfart, romfart og forsvar. Egnetheten krever blant annet undersøkelser av stabilitet, bruddegenskaper og funksjon under faktiske driftsforhold.

Medisinsk teknologi: Beskyttende belegg på proteser eller implantater er en mulig videre forskningsretning. Studien dokumenterer ikke biokompatibilitet for de nye fasene; medisinsk bruk krever egne sikkerhets- og materialtester.

Egenskapene er lovende, men praktiske produksjonsprosesser i industriell skala mangler fortsatt. Det er derfor behov for videre forskning.

Selskaper innen avanserte materialer

Disse selskapene har virksomhet som kan være relevant for materialene. Omtalen innebærer ikke at de har et bekreftet prosjekt eller samarbeid med forskerne.

*De følgende økonomiske øyeblikksbildene stammer fra den opprinnelige artikkelen fra 2023 og er ikke oppdaterte kurser eller prognoser. Selskapenes mulige anvendelser er foreløpig utforskende.*

1. 3M Company

MMM Prisdiagram

3M Company (MMM ) utvikler materialer til mange vitenskapelige og industrielle markeder, blant annet helse, forbruksvarer og elektronikk. Superharde karbonnitrider kan på sikt være relevante for slipemidler og skjæreverktøy. Piezoelektriske og optiske egenskaper kan også motivere forskning på elektroniske komponenter og optiske systemer. Dette passer med selskapets beskrevne virksomhet, men studien dokumenterer ikke en konkret anvendelse eller et samarbeid med 3M.

2. General Electric

GE Prisdiagram

General Electric (GE.TO ) (GE) omfattet i 2023 både luftfart, kraftproduksjon og fornybar energi. Avanserte materialer kunne derfor være relevante for flere deler av konsernet. Bruk av nettopp disse karbonnitridene er likevel en mulig fremtidig anvendelse, ikke et bekreftet selskapsprosjekt.

3. RTX, tidligere Raytheon Technologies

RTX Prisdiagram

RTX, tidligere Raytheon Technologies, utvikler luftfarts- og forsvarssystemer. Svært harde karbonnitrider kan på sikt være interessante som beskyttende belegg eller i slitesterke verktøy. Egnethet til lette og sterke konstruksjonsdeler avhenger også av andre egenskaper enn hardhet. Studien bekrefter ikke et utviklingsprogram for disse forbindelsene hos RTX.

Avsluttende tanker

Siden det teoretiske arbeidet i 1989 har forskere forsøkt å fremstille karbonnitrider med uvanlig høy hardhet. Syntesen av nye faser som kan bevares ved normale forhold, er en viktig milepæl. Neste steg er å undersøke reproduserbar fremstilling i større skala og mulige kommersielle anvendelser.