نیترید کربن؛ ماده‌ای که در مقاومت، الماس را شکست داد!

دانشمندان با معرفی یک ماده تقریباً نشکن که به طور بالقوه می‌تواند با الماس (که به عنوان مقاوم‌ترین ماده موجود بر روی کره زمین شناخته می‌شود) رقابت کند، به پاسخی برای یک راز سر به مهر و دیرینه دست یافتند. در این پژوهش، محققان با تمرکز بر روی رفتار پیش‌سازهای کربن و نیتروژن (معروف به نیترید کربن) پس از قرارگیری در برابر گرما و فشار شدید و بررسی ماده حاصله از این فرآیند، به مقاوم‌تر بودن این ماده نسبت به نیترید بور مکعبی (دومین ماده مقاوم پس از الماس) پی بردند. نتایج این پژوهش، که هزینه آن توسط طرح UKRI FLF و کمک‌های مالی تحقیقاتی قاره اروپا تامین شده است، به تازگی در مجله “Advanced Materials” منتشر شد.

یک دست صدا ندارد!

در طی چهار دهه گذشته و پس از کشف اولیه خواص مقاومتی نیترید کربن (خصوصاً مقاومت بسیار بالای آن در برابر گرما) در دهه 1980 میلادی، محققان مواد در پی دست‌یابی به پتانسیل‌های بالقوه این ماده ارزشمند بودند اما تاکنون تلاش‌های متعدد آنان برای سنتز این ماده به ثمر نرسیده و هیچ نتیجه معتبری از مطالعات آنان ثبت نشده بود.

اما در یک اقدام نسبتاً بی‌سابقه گروهی از کارشناسان دانشگاه بایروث آلمان و دانشگاه لینشوپینگ سوئد به رهبری محققان “مرکز علوم شرایط بحرانی” دانشگاه ادینبورگ توانستند تا به یک معمای قدیمی پایان دهند و نتایج این مطالعه را با موفقیت به ثبت رسانند. در این پژوهش، محققان در دمای بیش از یک و نیم هزار درجه سانتی‌گراد، اشکال مختلفی از پیش‌سازهای کربن-نیتروژن را تحت فشارهایی در بازه 70 تا 135 گیگاپاسکال (حدود یک میلیون برابر فشار اتمسفر کره زمین) قرار دادند.

برای شناسایی آرایش اتمی ترکیبات در این شرایط، نمونه‌ها تحت یک پرتو ایکس قوی در سه شتاب‌دهنده ذره مختلف در “تأسیسات تابش سنکروترون اروپا (ESR) در فرانسه، سینکروترون الکترون (DES) در آلمان و منبع فوتون پیشرفته (APS) در ایالات متحده” قرار داده و تابانده شدند.

پس از اتمام آزمایش، محققان دریافتند که سه ترکیب از نیترید کربن از پیوندهای مشابهی با مقاوم‌ترین مواد در جهان بهره می‌برند. نکته جالب توجه در این آزمایش آن بود که هر سه ماده پس از بازگشت به شرایط نرمال (فشار و دمای عادی محیط) همچنان کیفیت الماس‌گونه خود را حفظ کرده بودند!

نیتریدهای کربن چه پتانسیل‌هایی دارند؟

کارشناسان این حوزه بر این باورند که کشف پتانسیل‌های نیترید کربن، راه را برای بهره‌گیری از مواد چندمنظوره در اهداف صنعتی از جمله “تهیه پوشش‌های محافظ برای اتومبیل‌ها و سفینه‌های فضایی، توسعه ابزارهای برش با استقامت بالا، ساخت پنل‌های خورشیدی و آشکارسازهای نوری (پتانسیومترهایی که با تابش نور محیط، میزان مقاومت آنان تغییر پیدا می‌کند)” هموار خواهد کرد.

علاوه بر این، محاسبات و آزمایشات مضاعف نشان می‌دهند که مواد جدید دارای خواص تکمیلی مانند نورتابی و چگالی انرژی (ذخیره‌سازی مقدار قابل توجهی از انرژی در یک جرم کوچک) بالایی هستند. از این رو محققان بر این باورند که کاربردهای بالقوه این دسته از نیتریدهای کربن فوق تراکم‌ناپذیر، بسیار گسترده خواهند بود و به طور بالقوه می‌توان از این مواد به عنوان “مواد مهندسی نهایی” و جایگزینی برای الماس‌ها استفاده کرد.

دکتر دومینیک لانیل (عضو مؤسسه فیزیک ماده متراکم و سیستم‌های پیچیده دانشکده فیزیک و نجوم دانشگاه ادینبورگ) می‌گوید:

پس از کشف اولین مورد از انواع جدید نیترید کربن، ما حیرت‌زده بودیم و باور نمی‌کردیم که به رویای چهار دهه گذشته محققان این حوزه، جامه عمل پوشانده باشیم. حالا ما می‌توانیم از این مواد به منظور پر کردن شکاف میان سنتز مواد پرفشار و کاربردهای صنعتی بهره بگیریم.

دکتر فلوریان تریبل (استادیار گروه فیزیک، شیمی و زیست شناسی دانشگاه لینشوپینگ) نیز اظهار کرد:

اهمیت یافت این مواد به چند کاربردی بودن و بهره‌گیری از آنان در صنعت خلاصه نمی‌شود بلکه یافتن این مواد بیانگر آن است که در فازهای مرتبط با تکنولوژی، می‌توان از فشار سنتزی معادل شرایط موجود در هزاران کیلومتر در هسته داخلی زمین، به مواد جدیدی دست پیدا کرد! ما قویاً معتقدیم که این تحقیق مشترک فرصت‌های جدیدی را به روی این حوزه باز خواهد کرد.

منبع: Scitechdaily