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科學家實驗室合成僅次于金剛石的第二硬材料
發布時間:2023.12.26        閱讀次數:

科學家一直在尋找堅硬的材料,比如金剛石,作為地球上最堅硬的材料之一,成為許多材料科學研究的基準。

1989年,美國伯克利大學的A.Y. Liu和M.L. Cohen從理論上預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,甚至可能比金剛石硬度更高。科學家采用各種手段試圖在實驗室合成這種化合物,但結果并不理想。

現在,英國愛丁堡大學的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,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。該化合物有望應用于切割工具、傳感器,甚至炸藥的制造。

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。而Laniel說,他們合成的這種氮化碳新材料,硬度在78GPa到86 GPa之間,其具體硬度取決于形成了3種晶體結構中的哪一種。

不過,Laniel等人合成的氮化碳的硬度,推翻了1989年對該物質硬度將超過金剛石的預言。

“之前硬度排名第二的立方氮化硼與金剛石在硬度之間有著巨大的差距。而我們開始彌補這一差距。”Laniel說,他們新和成的材料盡管被稱為“氮化碳”,但與現有的氮化碳非常不同,因此,他們愿意接受更廣泛的意見,為其定一個更為準確的名稱。

目前合成的樣本只有5微米寬、3微米厚,因此擴大生產規模可能很困難。不過,理論上,使用更大的金剛石壓縮碳和氮,應該可以制造出更大塊的材料,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。

但Laniel表示,這種新材料具有金剛石所沒有的優點,例如在壓力下產生電信號,這可能使其應用于傳感器。此外,該材料具有高能量密度,可能使其成為一種強大的炸藥,環境毒性也小得多。