Os cientistas descobriram uma nova classe de materiais, os nitretos de carbono, que podem rivalizar com os diamantes em dureza. Esta descoberta, resultado de colaboração internacional e décadas de pesquisa, abre possibilidades para diversas aplicações industriais devido à sua durabilidade e outras propriedades como fotoluminescência e alta densidade energética. Financiado por bolsas internacionais e publicado na Advanced Materials, este avanço marca um avanço significativo na ciência dos materiais.
Os cientistas resolveram um quebra-cabeça de décadas e revelaram uma substância quase inquebrável que pode rivalizar com o diamante, como o material mais duro da Terra, diz um estudo.
Os investigadores descobriram que quando os precursores de carbono e azoto foram submetidos a calor e pressão extremos, os materiais resultantes – conhecidos como nitretos de carbono – eram mais resistentes do que o nitreto cúbico de boro, o segundo material mais duro depois do diamante.
Desbloqueando o potencial dos nitretos de carbono
A inovação abre portas para materiais multifuncionais a serem usados para fins industriais, incluindo revestimentos protetores para carros e naves espaciais, ferramentas de corte de alta resistência, painéis solares e fotodetectores, dizem os especialistas.
Os investigadores de materiais têm tentado desbloquear o potencial dos nitretos de carbono desde a década de 1980, quando os cientistas notaram pela primeira vez as suas propriedades excepcionais, incluindo a elevada resistência ao calor.
No entanto, após mais de três décadas de investigação e múltiplas tentativas para sintetizá-los, não foram relatados resultados credíveis.
A colaboração internacional leva ao sucesso
Agora, uma equipa internacional de cientistas – liderada por investigadores do Centro de Ciência em Condições Extremas da Universidade de Edimburgo e por especialistas da Universidade de Bayreuth, na Alemanha, e da Universidade de Linköping, na Suécia – conseguiu finalmente um avanço.
A equipe submeteu várias formas de precursores de carbono-nitrogênio a pressões entre 70 e 135 gigapascais – cerca de um milhão de vezes a nossa pressão atmosférica – enquanto os aquecia a temperaturas de mais de mil e quinhentos graus. Celsius.
Para identificar o arranjo atômico dos compostos nessas condições, as amostras foram iluminadas por um intenso feixe de raios X em três aceleradores de partículas – o European Synchrotron Research Facility na França, o Deutsches Elektronen-Synchrotron na Alemanha e o Advanced Photon Source baseado em nos Estados Unidos.
Implicações da Nova Descoberta
Os pesquisadores descobriram que três compostos de nitreto de carbono possuem os blocos de construção necessários para superdureza.
Notavelmente, todos os três compostos mantiveram suas qualidades semelhantes às do diamante quando retornaram às condições de pressão e temperatura ambiente.
Cálculos e experimentos adicionais sugerem que os novos materiais contêm propriedades adicionais, incluindo fotoluminescência e alta densidade de energia, onde uma grande quantidade de energia pode ser armazenada em uma pequena quantidade de massa.
Os pesquisadores dizem que as aplicações potenciais desses nitretos de carbono ultraincompressíveis são vastas, potencialmente posicionando-os como materiais de engenharia definitivos para rivalizar com os diamantes.
A pesquisa, publicada na Advanced Materials, foi financiada pelo esquema UKRI FLF e por bolsas de pesquisa europeias.
Dominique Laniel, Future Leaders Fellow, Institute for Condensed Matter Physics and Complex Systems, School of Physics and Astronomy, University of Edinburgh, disse: “Após a descoberta do primeiro destes novos materiais de nitreto de carbono, ficamos incrédulos por ter produzido materiais com os quais os pesquisadores têm sonhado nas últimas três décadas. Esses materiais fornecem um forte incentivo para preencher a lacuna entre a síntese de materiais de alta pressão e as aplicações industriais.”
Florian Trybel, professor assistente do Departamento de Física, Química e Biologia da Universidade de Linköping, disse: “Esses materiais não são apenas excelentes em sua multifuncionalidade, mas mostram que fases tecnologicamente relevantes podem ser recuperadas a partir de uma pressão de síntese equivalente a as condições encontradas a milhares de quilômetros no interior da Terra. Acreditamos fortemente que esta pesquisa colaborativa abrirá novas possibilidades para o campo.”
Referência: “Síntese de nitretos de carbono ultraincompressíveis e recuperáveis com tetraedros CN4” por Dominique Laniel, Florian Trybel, Andrey Aslandukov, Saiana Khandarkhaeva, Timofey Fedotenko, Yuqing Yin, Nobuyoshi Miyajima, Ferenc Tasnadi, Alena V. Ponomareva, Nityasagar Jena, Fariia Iasmin Akbar, Bjoern Winkler, Adrien Neri, Stella Chariton, Vitali Prakapenka, Victor Milman, Wolfgang Schnick, Alexander N. Rudenko, Mikhail I. Katsnelson, Igor A. Abrikosov, Leonid Dubrovinsky e Natalia Dubrovinskaia. Materiais avançados.
DOI: 10.1002/adma.202308030
