Как наука изобрела новый замечательный хард

Натан Херст

Как разработать промышленные инструменты, способные превзойти самые мощные устройства с алмазными наконечниками? Легко: вы создаете новый материал, который еще тверже алмаза.

Да, это часто искажаемый «факт»: алмаз — самый твердый материал в мире. Это звание оспаривается уже некоторое время, и статья, опубликованная в этом месяце в журнале Nature, предлагает еще одного претендента.

«Сверхтвердый нанодвойник кубический нитрид бора» описывает, как исследователи из Чикагского университета, Университета Нью-Мексико, Университета Яньшань, Университета Цзилинь и Технологического университета Хэбэя спрессовали форму частиц нитрида бора до сверхтвердой версии.

Согласно тестам, проведенным исследователями, полученные прозрачные самородки по твердости конкурировали с алмазом и даже превосходили его. Имея показатель по Виккерсу 108 ГПа, он превосходит синтетический алмаз (100 ГПа) и более чем в два раза превышает твердость коммерческих форм кубического нитрида бора.

Секрет в наноструктуре. Юнджун Тянь и другие исследователи начали с луковичных частиц нитрида бора, имеющих форму чешуйчатой ​​розы — или, как их описывает Тиан, как матрешку. Когда они сжали их при температуре 1800 градусов по Цельсию и давлении 15 ГПа (примерно в 68 000 раз больше давления в автомобильной шине), кристаллы реорганизовались и образовали нанодвойниковую структуру.

В кристаллической структуре нанодвойников соседние атомы имеют общую границу, как и соседние квартиры. И, как и в некоторых квартирах, близнецы зеркально отражают друг друга. Обычно, чтобы сделать вещество более твердым, ученые уменьшают размер зерен, из-за чего его труднее проткнуть — маленькие зерна оставляют меньше места между ними для проникновения любой точки. Но процесс зашел в тупик: в изделиях размером менее 10 нм собственные дефекты или искажения почти столь же велики, как и сами зерна, и, таким образом, ослабляют структуру.

Но нанодвойникование также затрудняет прокалывание веществ, а в случае нитрида бора эта характеристическая прочность сохраняется при размерах в среднем около 4 нм, объясняет Тиан. И в качестве бонуса кубический нитрид бора был стабилен и при высоких температурах.

«В нашем нанодвойнике cBN сохраняется превосходная термическая стабильность и химическая инертность, а твердость конкурентоспособна или даже превосходит твердость алмаза, что делает его наиболее желательным инструментальным материалом для промышленности», — говорит Тиан.

Он ожидает, что при дальнейших исследованиях этот продукт будет сопоставим по цене с более мягкими коммерческими формами кубического нитрида бора, которые доступны в настоящее время. Вероятные области применения включают обрабатывающие, шлифовальные, сверлильные и режущие инструменты, а также научные приборы.

Конечно, проблема в том, что для точного измерения твердости материала ученые берут еще более твердое вещество, формируют из него пирамиду и смотрят, какое давление требуется, чтобы вбить эту пирамиду в материал. Это не сработает, если у вас нет чего-то более твердого, поэтому число Виккерса для кубического нитрида бора Тиана не обязательно является последним словом в измерении, отмечает кристаллограф Наталья Дубровинская в журнале Scientific American.

Грегори Барбер

Эдриенн Со

Мэтт Саймон

Джулиан Чоккатту