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科學(xué)家合成第二硬材料“氮化碳”——硬度僅次于金剛石

關(guān)鍵詞 氮化碳|2023-12-28 16:17:04|來源 中國科學(xué)報、IT之家
摘要 ?近日，科學(xué)家們實驗中成功合成了第二硬材料“氮化碳”，氮化碳是一種由碳和氮元素組成的化合物，其硬度超過了常見的材料，僅次于金剛石。這一重大發(fā)現(xiàn)不僅為我們提供了一種具有廣泛應(yīng)用前景....

近日，科學(xué)家們實驗中成功合成了第二硬材料“氮化碳”， 氮化碳是一種由碳和氮元素組成的化合物，其硬度超過了常見的材料，僅次于金剛石。這一重大發(fā)現(xiàn)不僅為我們提供了一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型材料，而且對于深入理解物質(zhì)的硬度、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的關(guān)系也具有重要意義。

       早在1989年，美國伯克利大學(xué)的A.Y. Liu和M.L. Cohen從理論上預(yù)言了一種由碳和氮合成的材料，推斷其硬度可與金剛石相媲美，甚至可能比金剛石更高，發(fā)現(xiàn)其具備高耐熱性等諸多優(yōu)異特性，但理論和制造這些材料是兩回事，到目前為止，合成方面成功的研究并不多?？茖W(xué)家一直嘗試采用各種手段試圖在實驗室合成這種化合物，但結(jié)果并不理想。
       直到近日，英國愛丁堡大學(xué)的Dominique Laniel和同事，在70萬倍大氣壓下壓縮金剛石鉆頭之間的碳和氮，并用激光加熱到3000攝氏度，最終合成了這種幾乎和金剛石一樣硬的化合物—— 一種氮化碳的微小樣本。研究人員在日前出版的《先進材料》上公布了這一成果。

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       這種新合成的氮化碳幾乎和金剛石一樣硬。金剛石的硬度約為90GPa，而此前已知的第二硬材料——立方氮化硼的硬度在50GPa至55GPa之間。Laniel說，他們合成的這種氮化碳新材料，硬度在78GPa到86GPa之間，這取決于形成的3種晶體結(jié)構(gòu)中的哪一種。
       研究結(jié)果表明，三種合成的氮化碳化合物具有突破性超硬材料所需的結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們驚喜地發(fā)現(xiàn)，這三種化合物在冷卻并恢復(fù)到環(huán)境壓力后仍保留了其超硬特性。

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       不過，Laniel等人合成的氮化碳的硬度，推翻了1989年對該物質(zhì)硬度將超過金剛石的預(yù)言。
       “之前硬度排名第二的立方氮化硼與金剛石在硬度上有著巨大的差距。而我們的合成結(jié)果彌補了這一差距。”Laniel說，他們新合成的材料盡管被稱為“氮化碳”，但這是兩種迥然不同的元素。他們非常愿意接受更廣泛的意見，為其定一個更為準確的名字。
       目前合成的樣本只有5微米寬、3微米厚，擴大生產(chǎn)規(guī)模可能很困難。不過從理論上講，使用更大的金剛石來壓縮碳和氮，應(yīng)該可以制造出更大塊的材料，該化合物如若研制成功，有望應(yīng)用于切割工具、傳感器甚至炸藥的制造。但合成所需的壓力可能更高，而這些將使氮化碳的成本遠高于金剛石。
       Laniel表示，這種新材料具有金剛石所沒有的優(yōu)點，例如可以在壓力下產(chǎn)生電信號，這可能使其應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域。此外，該材料具有高能量密度，可能制成一種強大的爆炸物，但環(huán)境毒性要小得多。該團隊還認為這項突破，為包括車輛和航天器的保護涂層、強大的切削工具和光電探測器在內(nèi)的多個用途鋪平了道路。

       相關(guān)論文參考地址：

       https://doi.org/10.1002/adma.202308030

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