Descoberta de Nitrureto de Carbono Abre Porta para Grandes Avanços na Ciência dos Materiais

Os avanços em computação, energia sustentável e transporte dependem frequentemente de descobertas na ciência dos materiais. Algumas recebem mais atenção que outras, como a alegação de um possível supercondutor à temperatura ambiente em meados de 2023. Materiais mais leves, resistentes ou baratos, porém, podem abrir novas possibilidades em muitos setores.

Pesquisadores alcançaram um objetivo perseguido há mais de 30 anos: produzir nitruretos de carbono muito duros, capazes de potencialmente rivalizar com o diamante. A seguir, discutimos os resultados, aplicações possíveis e empresas que poderiam ter interesse caso a fabricação em maior escala se torne viável.

A Descoberta

O estudo, intitulado “Síntese de nitruretos de carbono extremamente pouco compressíveis e recuperáveis em condições ambientes, com tetraedros CN₄”, descreve a produção de quatro compostos de carbono e nitrogênio. Três eram fases até então não observadas, enquanto o oP8-CN já havia sido produzido experimentalmente:

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

Os pesquisadores usaram células de bigorna de diamante aquecidas por laser, a pressões de 72–134 GPa e temperaturas próximas de 2.500 K. Os compostos puderam ser preservados após o retorno à pressão e à temperatura ambientes.

As fortes ligações covalentes e as unidades estruturais tetraédricas estão associadas à baixa compressibilidade e à superdureza. Dependendo do composto, os autores também investigaram propriedades como:

• alta densidade de energia
• piezoeletricidade
• fotoluminescência​​​​.

As novas fases são interessantes pelo potencial de competir com o diamante em aplicações de materiais duros. A síntese e a preservação em condições ambientes representam um avanço importante na pesquisa de altas pressões, mas os resultados não demonstram que todos os compostos sejam mais duros que o diamante.

Módulo volumétrico e escala de Mohs

Os módulos volumétricos medidos chegaram a 419 GPa, em comparação com aproximadamente 446 GPa para o diamante. Isso sustenta a conclusão de que os quatro nitruretos de carbono são extremamente pouco compressíveis.

O módulo volumétrico e a escala de Mohs medem propriedades distintas.

Módulo volumétrico: Mede a resistência à mudança de volume sob pressão uniforme. A unidade é o pascal, por exemplo gigapascal (GPa). Um valor maior indica menor compressibilidade e não constitui uma medida direta de dureza.

Escala de Mohs: Esta escala ordinal classifica minerais pela resistência a riscos, de 1 a 10. Os intervalos entre os níveis não são iguais. A propriedade medida é diferente daquela descrita pelo módulo volumétrico.

As duas medidas não são intercambiáveis. A dureza é investigada por ensaios de risco ou indentação, enquanto o módulo volumétrico descreve a compressibilidade.

Possíveis aplicações

A combinação de propriedades mecânicas e de outras características abre diferentes caminhos de pesquisa. Nem todas as fases possuem todas as propriedades mencionadas, e as aplicações abaixo são possibilidades, não produtos comerciais demonstrados no estudo.

Ilustração de possíveis aplicações de nitruretos de carbono superduros.

Aplicações Industriais: A superdureza pode ser interessante para ferramentas de corte, abrasivos e equipamentos de perfuração. Estudos adicionais precisam avaliar os efeitos sobre desempenho e vida útil.

Eletrônica e Optoeletrônica: As propriedades piezoelétricas e ópticas investigadas podem abrir possibilidades para sensores, transdutores, fotodetectores e outros componentes optoeletrônicos.

Armazenamento de Energia: A alta densidade de energia calculada se refere à energia liberada na decomposição em grafite e nitrogênio molecular. Isso torna os compostos interessantes como materiais energéticos, mas não demonstra eletrodos melhores para baterias ou supercapacitores.

Aeroespacial e Defesa: Revestimentos protetores duros e ferramentas resistentes ao desgaste podem interessar aos setores aeroespacial e de defesa. A viabilidade exige estudos de estabilidade, fratura e desempenho em condições reais de operação.

Tecnologia Médica: Revestimentos para próteses ou implantes são uma possível linha de pesquisa futura. O estudo não demonstra a biocompatibilidade das novas fases; o uso médico exigiria ensaios próprios de segurança e de materiais.

As propriedades são promissoras, mas ainda faltam processos práticos de produção industrial em grande escala. Por isso, a pesquisa precisa prosseguir.

Empresas de materiais avançados

*Os números financeiros abaixo são retratos da publicação original de 2023, não cotações ou projeções atuais. As aplicações empresariais discutidas são possibilidades.*

1. 3M Company

MMM Gráfico de preços

A 3M Company (MMM ) desenvolve materiais para mercados científicos e industriais, incluindo saúde, consumo e eletrônica. Nitruretos de carbono superduros podem futuramente ser relevantes para abrasivos e ferramentas de corte. As propriedades piezoelétricas e ópticas também podem motivar estudos de componentes eletrônicos e sistemas ópticos. São possibilidades compatíveis com as atividades descritas da empresa, mas o estudo não demonstra aplicação concreta nem parceria com a 3M.

2. General Electric

GE Gráfico de preços

A General Electric (GE.TO ) (GE) abrangia em 2023 atividades de aviação, geração de energia e energias renováveis. Materiais avançados poderiam, portanto, interessar a diferentes áreas do grupo. O uso desses nitruretos de carbono específicos é uma possível aplicação futura, não um projeto empresarial confirmado.

3. RTX, anteriormente Raytheon Technologies

RTX Gráfico de preços

A RTX, anteriormente Raytheon Technologies, desenvolve sistemas aeroespaciais e de defesa. Nitruretos de carbono muito duros podem interessar para revestimentos protetores e ferramentas resistentes ao desgaste. Sua adequação a estruturas leves e resistentes depende de outras propriedades além da dureza. O estudo não confirma um programa de desenvolvimento desses compostos na RTX.

Considerações Finais

Desde o trabalho teórico de 1989, pesquisadores buscam nitruretos de carbono com dureza excepcional. A síntese de novas fases preserváveis em condições ambientes é um marco importante. Os próximos passos incluem investigar a produção reprodutível em maior escala e quais aplicações comerciais são viáveis.