Pagtuklas sa Carbon Nitride: Mga Bagong Posibilidad sa Agham ng Materyales

Madalas na nakasalalay ang pag-unlad ng kompyuter, malinis na enerhiya at transportasyon sa mga pagtuklas sa agham ng materyales. May mga pagtuklas na higit na napapansin — gaya ng pahayag tungkol sa posibleng superconductor sa temperatura ng silid noong kalagitnaan ng 2023 — ngunit ang mas magaan, matibay o murang materyales ay maaaring magbukas ng mga bagong gamit sa maraming sektor.

Nakamit ng mga mananaliksik ang isang layuning mahigit 30 taon nang hinahangad: ang paggawa ng napakatigas na carbon nitride na maaaring makipagsabayan sa diyamante. Narito ang mga resulta, posibleng gamit at mga kumpanyang maaaring magkaroon ng interes kung magiging posible ang malakihang produksiyon.

Ang pagtuklas

Ang pag-aaral na “Paggawa ng mga carbon nitride na napakahirap siksikin at naibabalik sa karaniwang kondisyon, na may mga tetrahedron na CN₄” ay naglalarawan ng paggawa ng apat na carbon–nitrogen na compound. Tatlo ang mga bagong naobserbahang phase, samantalang ang oP8-CN ay nagawa na sa naunang eksperimento:

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

Gumamit ang mga mananaliksik ng diamond anvil cell na pinainit gamit ang laser sa presyon na 72–134 GPa at temperaturang humigit-kumulang 2,500 K. Nanatili ang mga compound matapos ibalik sa karaniwang presyon at temperatura. Ang matitibay na covalent bond at tetrahedral na estruktura ay kaugnay ng napakababang compressibility at napakataas na tigas. Depende sa compound, sinuri rin ang mga katangiang tulad ng:

• mataas na densidad ng enerhiya
• piezoelectricity, o paglikha ng singil kapag nadidiinan
• photoluminescence, o paglabas ng liwanag matapos sumipsip ng liwanag.

Mahalaga ang mga bagong phase dahil maaari silang makipagsabayan sa diyamante para sa mga gamit na nangangailangan ng matigas na materyal. Ang paggawa at pagpapanatili sa karaniwang kondisyon ay isang malaking hakbang sa pananaliksik sa mataas na presyon. Hindi pa nito pinatutunayang mas matigas sa diyamante ang lahat ng compound.

Bulk modulus at sukat ng Mohs

Umabot sa 419 GPa ang nasukat na bulk modulus, kumpara sa humigit-kumulang 446 GPa ng diyamante. Sinusuportahan nito ang konklusyong napakahirap siksikin ng lahat ng apat na carbon nitride.

Magkaibang katangian ang sinusukat ng bulk modulus at ng sukat ng Mohs.

Bulk modulus: Sinusukat nito ang pagtutol ng materyal sa pagbabago ng bolyum sa ilalim ng pantay na presyon. Ang yunit ay pascal, halimbawa gigapascal (GPa). Ang mas mataas na halaga ay nangangahulugang mas mahirap siksikin, at hindi direktang sukatan ng tigas.

Sukat ng Mohs: Inaayos ng ordinal na sukat na ito ang mga mineral ayon sa paglaban sa gasgas, mula 1 hanggang 10. Hindi magkakapantay ang agwat ng bawat antas. Iba ang sinusukat nito sa bulk modulus.

Hindi mapagpapalit ang dalawang sukat. Sinusuri ang tigas sa pamamagitan ng pagkayod o pagdiin upang gumawa ng indentasyon, samantalang ang bulk modulus ay tungkol sa pag-compress.

Mga posibleng gamit

Nagbubukas ng ilang direksiyon sa pananaliksik ang pinagsamang mekanikal at iba pang katangian. Hindi taglay ng bawat phase ang lahat ng katangiang nabanggit. Ang mga gamit sa ibaba ay mga posibilidad, hindi mga komersiyal na produktong napatunayan sa pag-aaral.

Ilustrasyon ng posibleng gamit ng napakatigas na carbon nitride.

Mga gamit sa industriya: Maaaring maging kapaki-pakinabang ang napakataas na tigas sa mga pamutol, panghasa at kagamitan sa pagbabarena. Kailangang suriin pa ang epekto sa pagganap at haba ng paggamit.

Elektronika at optoelektronika: Ang mga sinuring katangiang piezoelectric at optikal ay maaaring magamit sa mga sensor, transducer, photodetector at iba pang optoelektronikong bahagi.

Pag-iimbak ng enerhiya: Ang mataas na densidad ng enerhiya sa kalkulasyon ay tungkol sa enerhiyang nailalabas kapag nahahati ang compound sa graphite at nitrogen gas. Ginagawa nitong kawili-wili ang mga ito bilang materyal na maraming nakaimbak na enerhiya, ngunit hindi ito patunay ng mas mahusay na electrode para sa baterya o supercapacitor.

Pagpapalipad, kalawakan at depensa: Maaaring maging gamit sa hinaharap ang matitigas na pananggalang na coating at kasangkapang lumalaban sa pagkasira. Kailangan pang subukan ang katatagan, pagbitak at pagganap sa tunay na kondisyon ng paggamit.

Teknolohiyang medikal: Maaaring pag-aralan ang mga coating para sa prosthesis o implant. Hindi pinatutunayan ng pag-aaral na ligtas at angkop sa katawan ang mga bagong phase; kailangan ang hiwalay na pagsubok sa kaligtasan at materyal bago gamitin sa medisina.

May potensiyal ang mga katangian, ngunit wala pang praktikal na proseso para sa produksiyong pang-industriya sa malaking sukat. Kailangan pa ang patuloy na pananaliksik.

Mga kumpanya sa mga makabagong materyales

Ang mga sumusunod na kumpanya ay may mga gawaing maaaring umugnay sa mga materyal na ito. Ang pagkakalista rito ay hindi patunay ng isang kasalukuyang proyekto o pakikipagtulungan sa mga mananaliksik.

*Ang mga sumusunod na bilang sa pananalapi ay mula sa orihinal na publikasyon noong 2023, at hindi kasalukuyang presyo o pagtataya. Posibilidad pa lamang ang mga gamit na tinatalakay.*

1. 3M Company

MMM Tsart ng Presyo

Ang 3M Company (MMM ) ay gumagawa ng materyales para sa mga pamilihang pang-agham, pang-industriya, pangkalusugan, pangmamimili at elektronika. Maaaring maging kaugnay ang napakatigas na carbon nitride sa mga panghasa at pamutol nito sa hinaharap. Ang piezoelectric at optikal na katangian ay maaari ring magbukas ng pananaliksik sa elektronikong bahagi at sistemang optikal. Kaayon ito ng larangan ng 3M, ngunit walang kongkretong gamit o pakikipagtulungan sa kumpanya na ipinakita ng pag-aaral.

2. General Electric

GE Tsart ng Presyo

Ang General Electric (GE.TO ) (GE) ay may negosyo sa pagpapalipad at enerhiya noong 2023, kabilang ang paglikha ng kuryente at renewable energy. Kaya maaaring maging mahalaga ang mga bagong materyal sa ilang bahagi ng kumpanya. Gayunman, ang paggamit ng partikular na mga carbon nitride na ito ay posibilidad sa hinaharap at hindi isang kumpirmadong proyekto.

3. RTX, dating Raytheon Technologies

RTX Tsart ng Presyo

Ang RTX, dating Raytheon Technologies, ay bumubuo ng mga sistema para sa pagpapalipad at depensa. Maaaring maging kawili-wili ang napakatigas na carbon nitride bilang pananggalang na coating o para sa kasangkapang lumalaban sa pagkasira. Ang pagiging angkop sa magaan at matibay na estruktura ay nakadepende rin sa ibang katangian bukod sa tigas. Hindi kinukumpirma ng pag-aaral ang isang programang pangkaunlaran sa RTX para sa mga compound na ito.

Pangwakas na Kaisipan

Mula sa teoretikal na gawain noong 1989, hinahangad ng mga siyentipiko ang mga carbon nitride na may pambihirang tigas. Mahalagang hakbang ang paggawa ng mga bagong phase na nananatili sa karaniwang kondisyon. Susunod na kailangang suriin ang paulit-ulit na produksiyon sa mas malaking sukat at ang mga posibleng komersiyal na gamit.