Nach mehr als drei Jahrzehnten Arbeit glauben Wissenschaftler, dass sie ein nahezu unzerbrechliches Material geschaffen haben, das mit Diamant als härteste Substanz der Erde mithalten kann. Einem internationalen Team unter der Leitung von Forschern des Centre for Extreme Conditions Science der Universität Edinburgh ist ein Durchbruch gelungen, indem es Vorläufer von Kohlenstoff und Stickstoff synthetisierte, um ein Kohlenstoffnitrid zu erzeugen, das härter ist als kubisches Bornitrid, das derzeit nach Diamant das zweithärteste Material ist.
Dominique Laniel von der University of Edinburgh sagte: „Mit der Entdeckung des ersten neuen Kohlenstoffnitridmaterials sind wir ungläubig, dass ein Material, von dem Forscher in den letzten drei Jahrzehnten geträumt haben, endlich verfügbar ist. Diese Materialien geben einen starken Impuls, um die Lücke zwischen der Hochdruck-Materialsynthese und industriellen Anwendungen zu schließen.“
Während Wissenschaftler bereits in den 1980er Jahren das Potenzial von Carbonitriden, einschließlich ihrer hohen Hitzebeständigkeit, erkannten, war ihre Herstellung eine andere Geschichte. Tatsächlich wurden bisher keine glaubwürdigen Studien zu ihrer Synthese durchgeführt.
Die Forscher betonten im Forschungsbericht: „Carbonitride mit einem dreidimensionalen Gerüst aus CN4-Tetraedern sind ein großer Wunsch der Materialwissenschaft.“
Dem Forschungsteam, zu dem auch Materialexperten der Universität Bayreuth in Deutschland und der Universität Linköping in Schweden gehörten, gelang das Kunststück, indem es verschiedene Formen von Kohlenstoff-Stickstoff-Vorläufern Drücken von 70-135 Gigapascal (oder einer Million Atmosphärendruck) aussetzte und sie dabei auf mehr als 1.500 °C (2.732 °F) erhitzte.
Die atomare Anordnung wurde dann mithilfe von Röntgenstrahlen an der European Synchrotron Research Facility in Frankreich, dem Deutschen Electron Synchrotron in Deutschland und der Advanced Photon Source in den Vereinigten Staaten untersucht.
Die Analyse ergab, dass die synthetisierten Kohlenstoffnitridverbindungen drei Strukturen enthielten, die für bahnbrechende superharte Materialien erforderlich sind. Die Wissenschaftler waren dann überrascht, als sie feststellten, dass die drei Verbindungen ihre superharten Eigenschaften nach dem Abkühlen und der Rückkehr auf Umgebungsdruck beibehielten.
Das Team glaubt, dass dieser Durchbruch den Weg für eine Vielzahl von Anwendungen ebnet, darunter Schutzbeschichtungen für Fahrzeuge und Raumfahrzeuge, leistungsstarke Schneidwerkzeuge und Fotodetektoren.
„Diese Materialien zeichnen sich nicht nur durch ihre Vielseitigkeit aus, sondern zeigen auch, dass technologisch relevante Phasen aus synthetischen Druckbedingungen gewonnen werden können, die Tausenden von Kilometern im Erdinneren entsprechen. Wir sind überzeugt, dass diese gemeinsame Forschung neue Möglichkeiten auf diesem Gebiet eröffnen wird“, sagt Florian Trybel, Assistenzprofessor an der Universität Linköping.
Während der Funktionsumfang dieser inkompressiblen Kohlenstoffnitridverbindung noch nicht bekannt ist, fanden die Forscher auch heraus, dass die Verbindung photolumineszierende, piezoelektrische und energiedichte Eigenschaften aufweist, die es ihr ermöglichen, große Energiemengen bei geringer Masse zu speichern.
Die Forscher erklärten im Forschungsbericht: „Untersuchungen der physikalischen Eigenschaften zeigen, dass diese stark kovalent gebundenen Materialien ultra-inkompressibel und ultrahart sind und über eine hohe Energiedichte sowie piezoelektrische und Photolumineszenzeigenschaften verfügen. Die neuen Carbonitride sind unter Hochdruckmaterialien einzigartig, da sie bei Drücken über 100 GPa hergestellt werden und unter Umgebungsbedingungen in der Luft wiederhergestellt werden können.“
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.