by Lisa Zyga
(PhysOrg.com) – obecnie diament jest uważany za najtwardszy znany materiał na świecie., Ale biorąc pod uwagę duże ciśnienia ściskające pod wgłębieniami, naukowcy obliczyli, że materiał o nazwie wurtzite azotek boru (w-BN) ma większą wytrzymałość na wcięcia niż diament. Naukowcy obliczyli również, że inny materiał, lonsdaleite (zwany również sześciokątnym diamentem, ponieważ jest wykonany z węgla i jest podobny do diamentu), jest jeszcze mocniejszy niż w-BN i 58 procent silniejszy niż diament, ustanawiając nowy rekord.,
analiza ta oznacza pierwszy przypadek, w którym materiał przekracza wytrzymałość diamentu w tych samych warunkach obciążenia, wyjaśnić autorów badania, którzy są z Uniwersytetu Shanghai Jiao Tong i University of Nevada, Las Vegas. Badanie zostało opublikowane w ostatnim numerze Physical Review Letters.,
„nowym odkryciem z naszych wyników jest to, że duże normalne ciśnienie ściskające pod wgłębieniami może przekształcić pewne materiały (takie jak w-BN i lonsdaleite) w nowe supertwarde struktury, które są twardsze niż diament,” współautor Changfeng Chen z Uniwersytetu Nevada, Las Vegas, powiedział PhysOrg.com. ” jest to nowy mechanizm, który można wykorzystać do projektowania nowych supertwardych materiałów.”
Dołącz PhysOrg.com na Facebook
naukowcy wyjaśniają, że większa wytrzymałość w-BN i lonsdaleite wynika z reakcji strukturalnej materiałów na ściskanie., Normalne ciśnienia ściskające pod wgłębieniami powodują, że materiały przechodzą fazową przemianę strukturalną w mocniejsze struktury, zachowując objętość przez odwrócenie ich wiązań atomowych. Naukowcy wyjaśniają, że w-BN i lonsdaleite mają subtelne różnice w kierunkowych układach ich wiązań w porównaniu z diamentem, który jest odpowiedzialny za ich unikalną reakcję strukturalną.
przy dużych ciśnieniach ściskających, w-BN zwiększa swoją wytrzymałość o 78 procent w porównaniu z wytrzymałością przed przerzucaniem wiązania., Naukowcy obliczyli, że w-BN osiąga siłę wcięcia 114 GPa (miliardy Pascal), znacznie powyżej 97 GPa Diamonda w tych samych warunkach wcięcia. W przypadku lonsdaleite ten sam mechanizm kompresji powodował również przerzucanie wiązań, uzyskując wytrzymałość na wcięcia 152 GPa, która jest o 58 procent wyższa niż odpowiednia wartość diamentu.
„Lonsdaleite jest jeszcze silniejszy niż w-BN, ponieważ lonsdaleite składa się z atomów węgla, a w-BN składa się z atomów boru i azotu” – wyjaśnił Chen., „Wiązania węgiel-węgiel w lonsdaleite są silniejsze niż wiązania Bor-azot w w-BN. Dlatego też diament (o strukturze sześciennej) jest silniejszy niż sześcienny azotek boru (c-BN).”
do niedawna normalne ciśnienia ściskające pod wcięciami nie były uwzględniane w obliczeniach idealnych wytrzymałości na ścinanie kryształów z pierwszych zasad, ale najnowsze osiągnięcia umożliwiły badaczom rozważenie ich skutków, co doprowadziło do zaskakujących odkryć, takich jak ten pokazany tutaj., Mimo to eksperymentowanie z w-BN i lonsdaleite będzie trudne, ponieważ oba materiały są trudne do syntezy w dużych ilościach. Jednak inne ostatnie badania podjęły obiecujące podejście do produkcji nanokompozytów w-BN I c-BN, które mogą również stanowić sposób syntezy nanokompozytów zawierających lonsdaleite i diament.
ponadto, pokazując podstawowy mechanizm atomistyczny, który może wzmocnić niektóre materiały, praca ta może dostarczyć nowych podejść do projektowania materiałów supertwardych., Jak wyjaśnił Chen, materiały supertwarde, które wykazują inne lepsze właściwości, są wysoce pożądane do zastosowań w wielu dziedzinach nauki i technologii.
„wysoka twardość jest tylko jedną ważną cechą materiałów supertwardych”, powiedział Chen. „Stabilność termiczna jest kolejnym kluczowym czynnikiem, ponieważ wiele materiałów supertwardych musi wytrzymać ekstremalnie wysokie temperatury, takie jak narzędzia do cięcia i wiercenia oraz powłoki odporne na zużycie, zmęczenie i korozję w zastosowaniach, od mikro – i nano-elektroniki po technologię Kosmiczną., Dla wszystkich materiałów supertwardych na bazie węgla, w tym diamentu, ich atomy węgla reagują z atomami tlenu w wysokich temperaturach (około 600°C) i stają się niestabilne. Tak więc projektowanie nowych, bardziej stabilnych termicznie materiałów supertwardych ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach wysokotemperaturowych. Ponadto, ponieważ najczęściej stosowane materiały supertwarde, takie jak diament i cubic-BN, są półprzewodnikami, wysoce pożądane jest projektowanie materiałów supertwardych, które są przewodnikami lub nadprzewodnikami. Ponadto supertwarde materiały magnetyczne są kluczowymi komponentami w różnych urządzeniach rejestrujących.,”
Więcej informacji: Pan, Zicheng; Sun, Hong; Zhang, Yi; i Chen, Changfeng. „Twardszy niż diament: doskonała siła wcięcia Wurtzite BN i Lonsdaleite.”Physical Review Letters 102, 055503 (2009).