En una investigación innovadora, los científicos han sintetizado compuestos de carbono y nitrógeno largamente buscados y han descubierto el potencial de los nitruros de carbono como una nueva clase de materiales multifuncionales súper duros que podrían rivalizar con el diamante. El trabajo ya ha sido publicado en la revista Advanced Materials.
Estructuras de tetraedros de CN₄ en las estructuras cristalinas de nuevos nitruros de carbono que los hacen ultraincompresibles y superduros: tI14-C₃N₄
Universidad de Bayreuth
Estructuras de tetraedros de CN₄ en las estructuras cristalinas de nuevos nitruros de carbono, lo que los hace ultraincompresibles y superduros: hP126-C₃N₄ (derecha).
Universidad de Bayreuth
Desde 1989, cuando se publicó en la revista Science la predicción de un compuesto C₃N₄ carbono-nitrógeno con propiedades mecánicas excepcionales, que potencialmente superaría al diamante en dureza, investigadores de todo el mundo han estado trabajando en este tema. El avance ha sido logrado ahora por un equipo internacional de científicos de alto nivel de la Universidad de Bayreuth y la Universidad de Edimburgo.
Sometieron varios precursores de carbono-nitrógeno a presiones increíblemente altas, entre 70 y 135 gigapascales (GPa), correspondiendo 100 GPa a 1.000.000 de veces la presión atmosférica, y los calentaron a más de 2.000 K en celdas de yunque de diamante. Luego, las muestras se caracterizaron mediante difracción de rayos X monocristalinos en tres aceleradores de partículas: el Centro Europeo de Investigación de Sincrotrones (ESRF, Francia), el Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY, Alemania) y la Fuente Avanzada de Fotones (APS, Estados Unidos). ). . Los resultados revelaron cuatro nitruros de carbono con las composiciones CN, CN₂ y C₃N₄, y estructuras de diferente complejidad. Las estructuras cristalinas de los alótropos de C₃N₄ se construyen a partir de estructuras de tetraedros de CN₄ que comparten esquinas, lo cual es la clave de sus propiedades mecánicas superiores: ultraincompresibilidad (la incompresibilidad se manifiesta cuando el volumen de un cuerpo permanece casi constante a pesar de la presión aplicada) y superdureza, establecidas experimentalmente. en este trabajo. El hecho de que los nitruros de carbono C₃N₄ a alta presión dejen impresiones en la superficie del diamante resalta su dureza comparable a la del propio diamante.
“Se espera que los nitruros de carbono sintetizados en este trabajo presenten múltiples funcionalidades excepcionales además de sus propiedades mecánicas, con el potencial de ser materiales de ingeniería en la misma categoría que el diamante, pero a diferencia del diamante, se pueden dopar fácilmente, lo que siempre es un problema con la electrónica del diamante”, dice la profesora Natalia Dubrovinskaia, del Laboratorio de Cristalografía de la Universidad de Bayreuth, autora principal de la investigación. Las investigaciones de propiedades físicas, tanto experimentales como teóricas, estas últimas realizadas por científicos de la Universidad de Linköping, Suecia, han demostrado que estos materiales fuertemente unidos de forma covalente no sólo son ultraincompresibles y superduros, sino que también poseen una alta densidad de energía, piezoeléctricos, fotoluminiscentes y no lineales. propiedades ópticas.
También es notable que los cuatro nitruros de carbono a alta presión se pueden recuperar a temperatura y presión ambiente. «La recuperación de materiales complejos sintetizados por encima de 100 GPa es un caso sin precedentes, lo que abre nuevas perspectivas para la ciencia de los materiales de alta presión en general», afirma el profesor Leonid Dubrovinsky del Instituto Bávaro de Geoquímica y Geofísica Experimentales de la Universidad de Bayreuth. autor principal de la investigación.
