Gjennombrudd med Karbonitrid Åpner Døren til Store Fremskritt innen Materialvitenskap

Enten man diskuterer fremskritt innen databehandling, bærekraftig energi, transport eller noe helt annet, ville ingenting av dette vært mulig uten underliggende gjennombrudd innen materialvitenskap. Mens noen gjennombrudd har potensial til å være mer betydningsfulle enn andre – husker du spenningen rundt en potensiell romtemperatur-superleder i midten av 2023? – spiller hver av dem en viktig rolle i å legge til rette for fremgang på tvers av en rekke sektorer etter hvert som materialene som brukes blir lettere, sterkere, billigere osv.

I den forbindelse har forskere nylig lykkes med å realisere et mål på over 30 år om å fremstille et materiale hardere enn en diamant fra karbonitrider. Les videre for å finne ut hva dette betyr, potensielle bruksområder for et slikt produkt, og hvilke selskaper som kan ha mest nytte dersom effektive produksjonsprosesser utvikles.

Gjennombruddet

Studien, med tittelen “Synthesis of Ultra-Incompressible and Recoverable Carbon Nitrides Featuring CN₄ Tetrahedra“, så forskere fremstille fire karbon‑nitrogenforbindelser,

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

Dette ble oppnådd ved bruk av diamant‑anvilceller, der forbindelsene ble utsatt for ekstremt høyt trykk (72 til 134 GPa) og temperatur (2500 K).

Lovende nok hadde de resulterende forbindelsene, som ble beskrevet som å ha en tetraedrisk struktur med sterke kovalente bindinger, egenskaper som å være ultra‑komprimerbare og superharde. I tillegg viste de ulike egenskaper som kan gjøre dem interessante i en rekke anvendelser. Disse inkluderte,

• høy energitetthet
• piezoelektrisitet
• fotoluminescens.

Forbindelsene blir sett på som betydningsfulle spesielt på grunn av deres hardhet, som potensielt kan konkurrere med eller overgå diamanter. Syntesen av slike materialer, som tidligere ble ansett som teoretisk, markerer et betydelig fremskritt innen høytrykks‑materialvitenskap​.

Bulk‑modul vs. Mohs‑skalaen

I denne studien ble det funnet at bulk‑modulen til forbindelsene nådde tall så høye som 419 GPa. Det bemerkes at dette er sammenlignbart med diamanter (446 GPa), og betyr at «alle fire karbonitrider klassifiseres som ultra‑komprimerbare materialer».

Det er imidlertid viktig å erkjenne at ‘bulk‑modul’ ikke er det samme som Mohs‑skalaen, og at det er en klar forskjell mellom de to målingene.

Bulk‑modul: Dette er et mål på et materiales motstand mot uniform kompresjon og uttrykkes i trykkenheter, som Pascal (Pa). Det kvantifiserer hvor lite komprimerbart et materiale er. En høyere bulk‑modul betyr at materialet er mer stivt og mindre komprimerbart, noe som kan tyde på at det er hardere.

Mohs‑skalaen: Dette er en kvalitativ og ordinal skala som rangerer materialer basert på deres ripesmotstand i forhold til andre materialer. Den går fra 1 (mykest) til 10 (hardest). Mohs‑skalaen er mer rettfram og praktisk for å sammenligne hardheten til ulike mineraler, men den gir ikke numeriske eller presise målinger som bulk‑modulen.

Kort sagt er bulk‑modulen en mer presis metode for å vurdere hardheten til et materiale, mens Mohs‑skalaen gjør dette indirekte gjennom ripesmotstand.

Bruksområder

Ved å forstå resultatene blir det lettere å forestille seg noen av de fremtidige anvendelsene for et slikt materiale. Med de syntetiserte karbonitridene som har en kombinasjon av superhardhet, piezoelektriske egenskaper og fotoluminescens, er de potensielt egnet for en rekke bruksområder.

En illustrativ fremstilling av potensielle implementeringer av karbonitrider så harde som diamanter.

Industrielle anvendelser: Deres superharde natur gjør dem egnet for skjæreverktøy, slipemidler og boreutstyr. De kan betydelig forbedre ytelsen og levetiden til disse verktøyene.

Elektronikk og optoelektronikk: De piezoelektriske og fotoluminescente egenskapene til disse materialene kan være fordelaktige i utviklingen av avanserte elektroniske og optoelektroniske enheter, inkludert sensorer, transdusere og komponenter for laserteknologi.

Energilagring: Gitt deres høye energitetthet kan disse karbonitridene utforskes for bruk i energilagringsløsninger, potensielt forbedre effektiviteten og kapasiteten til batterier eller superkondensatorer.

Luftfart og forsvar: Kombinasjonen av hardhet, holdbarhet og termisk stabilitet kan gjøre dem verdifulle i luftfart og forsvar for komponenter som krever materialer som tåler ekstreme forhold.

Medisinsk teknologi: Den biokompatible naturen til karbonitrider kan åpne for anvendelser innen biomedisin, for eksempel i proteser eller som belegg for implantater for å forbedre holdbarhet og ytelse.

Det er tydelig at egenskapene disse forbindelsene viser gjør dem svært interessante, og til tross for en nåværende mangel på praktiske produksjonsprosesser i stor skala, har de nok potensial til fortsatt forskning.

Topp Selskaper innen Avansert Materialvitenskap

Selv om det nevnte gjennombruddet med karbonitrider er fascinerende, vil det kun gjennom innsatsen til selskaper, som de som er oppført nedenfor, kunne integrere dem i produkter som gjør at deres potensial kan realiseres.

*Tallene nedenfor var korrekte på tidspunktet for skrivingen og kan endres. Eventuelle potensielle investorer bør verifisere tallene*

1. 3M Company

MMM Prisdiagram

3M Company (MMM ), kjent for sin innovasjon innen ulike vitenskapelige og industrielle områder, kan ha stor nytte av de nysyntetiserte karbonitridene. Disse materialene, med sin eksepsjonelle hardhet og holdbarhet, passer godt med 3M sitt fokus på avanserte materialløsninger for industrielle, helsemessige, forbruker- og elektronikkmarkeder. Spesielt kan deres superharde natur forbedre 3M sine slipemidler og skjæreverktøy, mens deres piezoelektriske og fotoluminescente egenskaper kan finne anvendelser i elektroniske komponenter og optiske systemer. Integreringen av karbonitrider i 3M sine produktlinjer kan føre til utvikling av mer effektive, holdbare og allsidige materialer, og videreføre selskapets arv av innovasjon.

2. General Electric

GE Prisdiagram

General Electric (GE.TO ) (GE), et multinasjonalt konglomerat, kan også ha nytte av utviklingen av karbonitrider. GEs mangfoldige portefølje, som spenner over luftfart, kraftproduksjon og fornybar energi, kan bruke disse avanserte materialene til å revolusjonere sine produktlinjer. Adoptasjonen av karbonitrider kan representere et betydelig skritt i GEs forpliktelse til teknologisk fremgang og bærekraft.

3. Raytheon Technologies

RXT Prisdiagram

Til slutt kan Raytheon Technologies, et ledende selskap innen luftfart og forsvar, ha nytte av de nylig syntetiserte karbonitridene. Som en leder i utviklingen av avanserte systemer for luftfarts- og forsvarsapplikasjoner, kan Raytheons interesse ligge i å bruke disse ultra‑komprimerbare, superharde materialene til å produsere høy‑styrke, lettvektige komponenter. De eksepsjonelle egenskapene til karbonitrider gjør dem ideelle for luftfartsstrukturer og forsvarssystemer som krever materialer som kan tåle ekstreme miljø‑ og driftsforhold, og dermed forbedre holdbarheten og ytelsen til Raytheons produkter.

Avsluttende tanker

Det har vært en lang vei å komme til dette studiet. I over tre tiår har forskere forfulgt målet om å skape karbonitrider så harde som diamanter, med arbeidet som startet i 1989. Nå som dette er oppnådd, har det markert en betydelig milepæl innen materialvitenskap, som nå flytter noe av fokuset mot hvordan man gjentatte ganger kan syntetisere slike materialer i stor skala for bruk i kommersielle applikasjoner som tilbys av selskaper som de som er oppført.