Competidor para los diamantes: científicos producen nitruros de carbono multifuncionales superduros

19.12.2023

En un trabajo de investigación pionero, unos científicos han sintetizado unos compuestos de carbono y nitrógeno largamente buscados y han desvelado el potencial de los nitruros de carbono como nueva clase de materiales multifuncionales superduros que podrían rivalizar con el diamante. El trabajo se ha publicado en la revista Advanced Materials.

Desde 1989, cuando se publicó en la revista Science la predicción de un compuesto de carbono y nitrógeno C₃N₄ con propiedades mecánicas excepcionales, que podría superar al diamante en dureza, investigadores de todo el mundo han estado trabajando en este tema. El avance lo ha logrado ahora un equipo internacional de científicos de alta presión de la Universidad de Bayreuth y la Universidad de Edimburgo.

Sometieron varios precursores de carbono-nitrógeno a presiones increíblemente altas, de entre 70 y 135 gigapascales (GPa), correspondiendo 100 GPa a 1.000.000 de veces la presión atmosférica, y los calentaron por encima de 2000 K en celdas de yunque de diamante. A continuación, las muestras se caracterizaron por difracción de rayos X monocristalina en tres aceleradores de partículas: el European Synchrotron Research Facility (ESRF, Francia), el Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY, Alemania) y el Advanced Photon Source (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 C₃N₄ están formadas por entramados de tetraedros CN₄ que comparten esquinas, lo que es clave para sus propiedades mecánicas superiores - ultracompresibilidad (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 de alta presión dejen huellas en una superficie de diamante demuestra que su dureza es 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 potencial para ser materiales de ingeniería de la misma categoría que el diamante, pero, a diferencia de éste, pueden doparse fácilmente, lo que siempre es un problema con la electrónica de diamante", afirma la profesora Natalia Dubrovinskaia, del Laboratorio de Cristalografía de la Universidad de Bayreuth, autora principal de la investigación. Las investigaciones sobre las propiedades físicas, tanto experimentales como teóricas, estas últimas llevadas a cabo por científicos de la Universidad de Linköping (Suecia), demostraron que estos materiales fuertemente enlazados covalentemente no sólo son ultraincompresibles y superduros, sino que también poseen una alta densidad energética y propiedades piezoeléctricas, fotoluminiscentes y ópticas no lineales.

También es destacable que los cuatro nitruros de carbono de alta presión pueden recuperarse a presión y temperatura 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 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.

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