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科学家合成第二硬材料“氮化碳”——硬度仅次于金刚石

关键词氮化碳|2023-12-28 16:17:04|来源中国科学报、IT之家

摘要近日，科学家们实验中成功合成了第二硬材料“氮化碳”，氮化碳是一种由碳和氮元素组成的化合物，其硬度超过了常见的材料，仅次于金刚石。这一重大发现不仅为我们提供了一种具有广泛应用前景....

近日，科学家们实验中成功合成了第二硬材料“氮化碳”，氮化碳是一种由碳和氮元素组成的化合物，其硬度超过了常见的材料，仅次于金刚石。这一重大发现不仅为我们提供了一种具有广泛应用前景的新型材料，而且对于深入理解物质的硬度、结构和性质之间的关系也具有重要意义。

早在1989年，美国伯克利大学的A.Y. Liu和M.L. Cohen从理论上预言了一种由碳和氮合成的材料，推断其硬度可与金刚石相媲美，甚至可能比金刚石更高，发现其具备高耐热性等诸多优异特性，但理论和制造这些材料是两回事，到目前为止，合成方面成功的研究并不多。科学家一直尝试采用各种手段试图在实验室合成这种化合物，但结果并不理想。

直到近日，英国爱丁堡大学的Dominique Laniel和同事，在70万倍大气压下压缩金刚石钻头之间的碳和氮，并用激光加热到3000摄氏度，最终合成了这种几乎和金刚石一样硬的化合物—— 一种氮化碳的微小样本。研究人员在日前出版的《先进材料》上公布了这一成果。

这种新合成的氮化碳几乎和金刚石一样硬。金刚石的硬度约为90GPa，而此前已知的第二硬材料——立方氮化硼的硬度在50GPa至55GPa之间。Laniel说，他们合成的这种氮化碳新材料，硬度在78GPa到86GPa之间，这取决于形成的3种晶体结构中的哪一种。

研究结果表明，三种合成的氮化碳化合物具有突破性超硬材料所需的结构，科学家们惊喜地发现，这三种化合物在冷却并恢复到环境压力后仍保留了其超硬特性。

不过，Laniel等人合成的氮化碳的硬度，推翻了1989年对该物质硬度将超过金刚石的预言。

“之前硬度排名第二的立方氮化硼与金刚石在硬度上有着巨大的差距。而我们的合成结果弥补了这一差距。”Laniel说，他们新合成的材料尽管被称为“氮化碳”，但这是两种迥然不同的元素。他们非常愿意接受更广泛的意见，为其定一个更为准确的名字。

目前合成的样本只有5微米宽、3微米厚，扩大生产规模可能很困难。不过从理论上讲，使用更大的金刚石来压缩碳和氮，应该可以制造出更大块的材料，该化合物如若研制成功，有望应用于切割工具、传感器甚至炸药的制造。但合成所需的压力可能更高，而这些将使氮化碳的成本远高于金刚石。

Laniel表示，这种新材料具有金刚石所没有的优点，例如可以在压力下产生电信号，这可能使其应用于传感器领域。此外，该材料具有高能量密度，可能制成一种强大的爆炸物，但环境毒性要小得多。该团队还认为这项突破，为包括车辆和航天器的保护涂层、强大的切削工具和光电探测器在内的多个用途铺平了道路。

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