Cómo se descubrió el material que desafía al diamante en dureza y cuáles son sus usos potenciales

Ya en 1989 se había predicho que los sólidos covalentes formados entre carbono y nitrógeno son buenos candidatos para una dureza extrema, pero nunca se había probado. Ahora los investigadores de un equipo internacional de científicos descubrieron que cuando los precursores de carbono y nitrógeno se sometían a calor y presión elevados, los materiales resultantes, conocidos como nitruros de carbono, eran más resistentes que el nitruro de boro cúbico, el segundo material más duro después del diamante.

De esta manera, los científicos parecen haber resuelto un enigma que lleva décadas y han desvelado una sustancia casi irrompible que podría rivalizar con el diamante como el material más duro de la Tierra. La investigación fue publicada en la revista Advanced Materials.

Según los expertos, el avance abre las puertas al uso de materiales multifuncionales con fines industriales, incluidos revestimientos protectores para automóviles y naves espaciales, herramientas de corte de alta resistencia, paneles solares y fotodetectores.

Los especialistas de materiales han intentado desbloquear el potencial de los nitruros de carbono desde la década de 1980, cuando los científicos notaron por primera vez sus propiedades excepcionales, incluida una alta resistencia al calor. Sin embargo, después de más de tres décadas de investigación y múltiples intentos de sintetizarlos, no se reportaron resultados creíbles.

Ahora, un equipo internacional de científicos, dirigido por investigadores del Centro de Ciencias en Condiciones Extremas de la Universidad de Edimburgo y expertos de la Universidad de Bayreuth (Alemania) y la Universidad de Linköping (Suecia), finalmente ha logrado un gran avance.

El equipo sometió varias formas de precursores de carbono y nitrógeno a presiones de entre 70 y 135 gigapascales (alrededor de 1 millón de veces nuestra presión atmosférica) mientras los calentaba a temperaturas de más de 1.500 °C.

Para identificar la disposición atómica de los compuestos en estas condiciones, las muestras fueron iluminadas por un intenso haz de rayos X en tres aceleradores de partículas: el Centro Europeo de Investigación de Sincrotrones en Francia, el Deutsches Elektronen-Synchrotron en Alemania y la Fuente Avanzada de Fotones con sede en Alemania.

Los profesionales descubrieron que tres compuestos de nitruro de carbono tenían los elementos básicos necesarios para una superdureza.

Sorprendentemente, los tres conservaron cualidades similares a las del diamante cuando regresaron a las condiciones de presión y temperatura ambiente.

Otros cálculos y experimentos sugieren que los nuevos materiales contienen propiedades adicionales que incluyen fotoluminiscencia y alta densidad de energía, donde se puede almacenar una gran cantidad de energía en una pequeña cantidad de masa.

Los investigadores dicen que las aplicaciones potenciales de estos nitruros de carbono ultraincompresibles son enormes, lo que potencialmente los posiciona como materiales de ingeniería definitivos para rivalizar con los diamantes.

Tras el descubrimiento del primero de estos nuevos materiales de nitruro de carbono, los especialistas se mostraban incrédulos de haber producido materiales con los que los investigadores han estado soñando durante las últimas tres décadas. Estos elementos proporcionan un fuerte incentivo para cerrar la brecha entre la síntesis de materiales de alta presión y las aplicaciones industriales.

No sólo destacan por su multifuncionalidad, sino que también demuestran que se pueden recuperar fases tecnológicamente relevantes a partir de una presión de síntesis equivalente a las condiciones que se encuentran a miles de kilómetros en el interior de la Tierra. Los investigadores creen firmemente que esta investigación colaborativa abrirá nuevas posibilidades para el campo.

* Dominique Laniel es la primera autora y la autora correspondiente de la investigación, es especialista del Centro de Ciencias en Condiciones Extremas y Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Edimburgo en el Reino Unido. La información contenida en este artículo periodístico se desprende de la investigación denominada “Síntesis de nitruros de carbono ultraincompresibles y recuperables con tetraedros CN4”, publicada en la revista Advanced Materials, de la que también son autores: Florian Trybel, Andrey Aslandukov, Saiana Khandarkhaeva, Timofey Fedotenko, Yuqing Yin, Nobuyoshi Miyajima, Ferenc Tasnádi, Alena V. Ponomareva, Nityasagar Jena, Fariia Iasmin Akbar, Bjoern Winkler, Adrien Néri, Stella Chariton, Vitali Prakapenka, Victor Milman, Wolfgang Schnick, Alexander N. Rudenko, Mikhail I. Katsnelson, Igor A. Abrikosov, Leonid Dubrovinsky, y Natalia Dubrovinskaia