Genombrottet med kolnitrit öppnar dörren till stora framsteg inom materialvetenskap

Oavsett om man diskuterar framsteg inom databehandling, hållbar energi, transport eller något helt annat, skulle inget av detta vara möjligt utan underliggande genombrott inom materialvetenskap. Även om vissa genombrott har potential att vara mer betydelsefulla än andra – kom ihåg spänningen kring en potentiell rumstemperatur-superledare i mitten av 2023 – spelar varje en viktig roll i att underlätta framsteg över en rad sektorer när de använda materialen blir lättare, starkare, billigare osv.

För detta har forskare nyligen lyckats förverkliga ett mål som har varit i över 30 år – att tillverka ett material som är hårdare än en diamant från kolnitriter. Läs vidare för att ta reda på vad detta innebär, potentiella användningsområden för en sådan produkt och vilka företag som kan ha mest nytta om effektiva tillverkningsprocesser utvecklas.

Genombrottet

Studien, med titeln “Syntes av ultra‑komprimerbara och återvinningsbara kolnitriter med CN₄-tetraedrar“, såg forskare tillverka fyra kol‑kväve‑föreningar,

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

Detta uppnåddes med hjälp av diamant‑anvilceller, där föreningarna utsattes för extremt högt tryck (72 till 134 GPa) och temperatur (2500 K).

Lovande nog hade de resulterande föreningarna, som påstods ha en tetraedrisk struktur med starka kovalenta bindningar, egenskaper såsom att vara ultra‑komprimerbara och superhårda. Dessutom visade de olika egenskaper som kan göra dem intressanta för en mängd olika tillämpningar. Dessa inkluderade,

• hög energitäthet
• piezoelektricitet
• fotoluminiscens​​​​.

Föreningarna betraktas som särskilt betydelsefulla på grund av deras hårdhet, som potentiellt kan konkurrera med eller överträffa diamanters. Syntesen av sådana material, tidigare betraktade som teoretiska, markerar ett betydande framsteg inom högtrycks‑materialvetenskap​.

Bulkmodul vs. Mohs-skalan

I denna studie fann man att bulkmodulen för föreningarna nådde siffror så höga som 419 GPa. Det noteras att detta är jämförbart med diamanter (446 GPa) och innebär att “alla fyra kolnitriter klassificeras som ultra‑komprimerbara material”.

Det är dock viktigt att inse att “bulkmodul” inte är detsamma som Mohs-skalan, och att det finns en tydlig skillnad mellan de två mätningarna.

Bulkmodul: Detta är ett mått på ett materials motstånd mot jämn kompression och uttrycks i tryckenheter, såsom Pascal (Pa). Det kvantifierar hur icke‑komprimerbart ett material är. En högre bulkmodul betyder att materialet är mer styvt och mindre komprimerbart, vilket kan tyda på att det är hårdare.

Mohs-skalan: Detta är en kvalitativ och ordinal skala som rangordnar material baserat på deras repmotstånd, i förhållande till andra material. Den sträcker sig från 1 (mjukast) till 10 (hårdast). Mohs-skalan är mer enkel och praktisk för att jämföra hårdheten hos olika mineraler, men den ger inte numeriska eller precisa mätningar som bulkmodulen.

Kort sagt är bulkmodul en mer exakt metod för att bedöma ett materials hårdhet, medan Mohs-skalan gör det indirekt genom repmotstånd.

Användningsområden

Genom att förstå resultaten blir det lättare att föreställa sig några av de framtida tillämpningarna för ett sådant material. De syntetiserade kolnitriterna som har en kombination av superhårdhet, piezoelektriska egenskaper och fotoluminiscens kan potentiellt vara lämpliga för en rad olika tillämpningar.

En illustrativ blick på potentiella tillämpningar för kolnitriter lika hårda som diamanter.

Industriella tillämpningar: Deras superhårda natur gör dem lämpliga för skärverktyg, slipmedel och borrutrustning. De skulle kunna avsevärt förbättra prestanda och livslängd för dessa verktyg.

Elektronik och optoelektronik: De piezoelektriska och fotoluminiscenta egenskaperna hos dessa material kan vara fördelaktiga vid utveckling av avancerade elektroniska och optoelektroniska enheter, inklusive sensorer, transducers och komponenter för laserteknik.

Energilagring: Med tanke på deras höga energitäthet kan dessa kolnitriter utforskas för användning i energilagringslösningar, vilket potentiellt kan förbättra effektiviteten och kapaciteten hos batterier eller superkondensatorer.

Luft- och rymd samt försvar: Kombinationen av hårdhet, hållbarhet och termisk stabilitet kan göra dem värdefulla inom luft- och rymd samt försvar för komponenter som kräver material som kan tåla extrema förhållanden.

Medicinsk teknik: Den biokompatibla naturen hos kolnitriter kan öppna upp tillämpningar inom biomedicin, såsom i proteser eller som beläggningar för implantat för att förbättra hållbarhet och prestanda.

Uppenbart gör egenskaperna hos dessa föreningar dem mycket intressanta, och trots den nuvarande avsaknaden av praktiska tillverkningsprocesser i skala, har de tillräckligt med potential för fortsatt forskning.

Toppföretag inom avancerad materialvetenskap

*Siffrorna nedan var korrekta vid skrivandet och kan komma att förändras. Eventuella investerare bör verifiera siffrorna*

1. 3M Company

MMM Prisdiagram

3M Company (MMM ), känt för sin innovation inom olika vetenskapliga och industriella områden, kan dra stor nytta av de nysyntetiserade kolnitriterna. Dessa material, med sin exceptionella hårdhet och hållbarhet, passar väl med 3M:s fokus på avancerade materiallösningar för industri-, hälso- och sjukvårds-, konsument- och elektronikmarknader. Särskilt kan deras superhårda natur förbättra 3M:s slipmedel och skärverktyg, medan deras piezoelektriska och fotoluminiscenta egenskaper kan hitta tillämpningar i elektroniska komponenter och optiska system. Integreringen av kolnitriter i 3M:s produktlinjer kan leda till utveckling av mer effektiva, hållbara och mångsidiga material, vilket ytterligare stärker företagets innovationsarv.

2. General Electric

GE Prisdiagram

General Electric (GE.TO ) (GE), ett multinationellt konglomerat, kan också dra nytta av utvecklingen av kolnitriter. GEs diversifierade portfölj, som omfattar flyg, kraftproduktion och förnybar energi, kan använda dessa avancerade material för att revolutionera sina produktlinjer. Antagandet av kolnitriter kan markera ett betydande steg i GEs engagemang för teknologisk utveckling och hållbarhet.

3. Raytheon Technologies

RXT Prisdiagram

Slutligen kan Raytheon Technologies, ett framstående företag inom luft- och rymd samt försvar, dra nytta av de nyligen syntetiserade kolnitriterna. Som ledande inom utveckling av avancerade system för luft- och rymd- och försvarsapplikationer kan Raytheons intresse ligga i att använda dessa ultra‑komprimerbara, superhårda material för tillverkning av högstyrka, lätta komponenter. De exceptionella egenskaperna hos kolnitriter gör dem idealiska för luft- och rymdstrukturer och försvarssystem som kräver material som kan stå emot extrema miljö- och driftsförhållanden, vilket förbättrar hållbarheten och prestandan hos Raytheons produkter.

Slutliga tankar

Det var en lång resa att nå detta studiepunkt. I över tre decennier har forskare strävat efter att skapa kolnitriter lika hårda som diamanter, med arbetet som började 1989. Nu när detta har uppnåtts har det markerat en betydande milstolpe inom materialvetenskap, som nu förflyttar en del av fokus till hur man upprepade gånger kan syntetisera sådana material i skala för användning i kommersiella tillämpningar som erbjuds av företag som de som listas.