Naast hun luxueuze connotatie zijn diamanten ook gewild vanwege hun veel tastbaardere, bruikbare eigenschappen – omdat ze het hardste materiaal op aarde zijn. De duurzaamheid van het glanzende mineraal ligt tussen 70 en 150 gigapascal (GPa), waardoor het een onderdeel is dat wordt gebruikt in zware boren, tandheelkundige gereedschappen en beschermende coatings voor ruimtevaartuigen.
Helaas hebben zowel de diamantwinning als de productie hun valkuilen, en materiaalexperts hebben lang geprobeerd een rivaal te synthetiseren die bekend staat als koolstofnitride – allemaal zonder succes. Maar na meer dan drie decennia van vallen en opstaan is die verliesreeks eindelijk voorbij dankzij de samenwerking tussen onderzoekers van de Universiteit van Edinburgh, de Duitse Universiteit van Bayreuth en de Zweedse Linköping Universiteit.
[Related: A buyer’s guide to ethically sourced diamonds.]
Zoals beschreven in een nieuwe studie gepubliceerd in Geavanceerde materialeneen team onder leiding van experts van het toepasselijk genaamde Centre for Extreme Science van de Universiteit van Edinburgh is erin geslaagd koolstofnitriden te creëren – een prestatie die onderzoekers sinds 1989 was ontgaan. Nieuwe wetenschapper legt uit dat monsters van 5 micrometer breed en 3 micrometer diep met afmetingen tussen 78 en 86 GPa harder zijn dan ‘s werelds op één na hardste materiaal, kubisch boornitride, dat doorgaans tussen 50 en 55 GPa heeft. Hoewel de creaties van koolstofnitride een deel van de vroege theorie van de materiaalonderzoekers bevestigen (namelijk dat ze ik kan om überhaupt te worden gesynthetiseerd), vervangen de monsters diamant niet als de moeilijkste bekende stof. Hierdoor geloven experts nu dat diamanten voor altijd het hardst mogelijke materiaal kunnen zijn.
Om dit allemaal mogelijk te maken, onderwierpen de onderzoekers eerst koolstofnitride- en stikstofvoorlopers aan ongeveer 700.000 keer de atmosferische druk van de planeet door ze tussen twee diamantpunten te comprimeren. Tegelijkertijd verwarmden de lasers de voorlopers tot ongeveer 2732 graden Fahrenheit. Kortom, ze simuleerden omstandigheden die zich slechts duizenden kilometers binnen de aarde bevonden.
De resulterende creaties van koolstofnitride werden vervolgens geëvalueerd met behulp van intens sterke röntgenstraling bij drie afzonderlijke deeltjesversnellers in heel Europa. Daarbij ontdekte het team dat drie van hun gesynthetiseerde monsters de “noodzakelijke bouwstenen voor superhardheid” bevatten, volgens een aankondiging van 14 december van de Universiteit van Edinburgh. Niet alleen dat: de nieuwe materialen behielden hun hardheid na afkoeling en terugkeer naar normale atmosferische druk.
“We waren geweldig om materialen te produceren waar onderzoekers de afgelopen dertig jaar van hebben gedroomd”, zegt Dominique Laniel, toekomstig leider van het Institute for Condensed Matter Physics and Complex Systems van de Universiteit van Edinburgh, in een schoolmededeling. “Deze materialen bieden een sterke impuls om de kloof te overbruggen tussen hogedrukmateriaalsynthese en industriële toepassingen.”
Na het uitvoeren van aanvullende berekeningen en experimenten zijn de onderzoekers van mening dat synthetische koolstofnitriden ook fotoluminescentie met een hoge energiedichtheid kunnen bezitten, wat betekent dat zeer kleine hoeveelheden relatief grote hoeveelheden energie kunnen opslaan. Om het wat botter te zeggen: koolstofnitride zou een krachtig explosief kunnen zijn.
De kosten zijn momenteel de belangrijkste factor die grotere inspanningen om koolstofnitride te produceren verhindert. Om grotere monsters te maken, hebben onderzoekers nog grotere diamanten nodig om de nodige druk uit te oefenen – op zijn zachtst gezegd een duur laboratoriumgereedschap. Diamanten kunnen echter onder druk geen elektrische signalen genereren en staan zeker niet bekend om hun explosieve eigenschappen. Synthetische koolstofnitriden zouden op een dag in veel toepassingen de ‘ultieme technische materialen kunnen worden die met diamanten kunnen concurreren’, maar alleen als de economische en industriële levensvatbaarheid verzekerd is, wat veel meer werk zou vergen.