科学者たちは、30年以上の研究を経て、地球上で最も硬い物質であるダイヤモンドに匹敵する、ほぼ壊れない材料を作成したと信じています。エディンバラ大学極限状態科学センターの研究者が率いる国際チームは、炭素と窒素の前駆体を合成して、現在ダイヤモンドに次いで2番目に硬い材料である立方晶窒化ホウ素よりも硬い窒化炭素を生成するという画期的な進歩を遂げた。
エディンバラ大学のドミニク・ラニエル氏は、「最初の新しい窒化炭素材料の発見において、過去30年間研究者が夢見てきた材料がついに利用可能になったとは信じられない。これらの材料は、高圧材料合成と産業応用の間のギャップを埋める強力な推進力となる」と語った。
科学者は 1980 年代にはすでに炭窒化物の高い耐熱性などの可能性を認識していましたが、炭窒化物の作成は別の話でした。実際、これまで、それらの合成に関する信頼できる研究は行われていません。
研究者らは研究報告書の中で、「CN4四面体の三次元骨格を持つ炭窒化物は材料科学の大きな願いである」と指摘した。
ドイツのバイロイト大学とスウェーデンのリンシェーピング大学の材料専門家も参加した研究チームは、さまざまな形の炭素窒素前駆体を70～135ギガパスカル（または大気圧の100万倍）の圧力にさらしながら1,500℃（2,732°F）以上に加熱することでこの偉業を達成した。
その後、フランスの欧州シンクロトロン研究施設、ドイツのドイツ電子シンクロトロン、米国の先端光子源でX線ビームを使用して原子配列が検査された。
分析の結果、合成された窒化炭素化合物には、画期的な超硬材料に必要な 3 つの構造が含まれていることがわかりました。科学者たちは、冷却して周囲圧力に戻した後も、3 つの化合物が超硬質の特性を保持していることを発見して驚きました。
研究チームは、この画期的な進歩により、車両や宇宙船の保護コーティング、強力な切削工具、光検出器など、さまざまな用途への道が開かれると考えています。
「これらの材料は多用途性に優れているだけでなく、地球内部数千キロメートルに相当する合成圧力条件から技術的に関連した相を回収できることを示しています。この共同研究がこの分野で新たな可能性を切り開くものと確信しています」とリンシェーピング大学助教授のフロリアン・トライベル氏は語る。
この非圧縮性の窒化炭素化合物の機能範囲はまだ不明ですが、研究者らは、この化合物がフォトルミネッセンス、圧電性、高エネルギー密度の特性を備えており、少量の質量で大量のエネルギーを蓄積できることも発見しました。
研究者らは研究報告書で次のように述べている：「物理的性質の研究により、これらの強力な共有結合材料は超非圧縮性で超硬く、高いエネルギー密度、圧電特性、フォトルミネッセンス特性を備えていることが示されています。新しい炭窒化物は、100GPaを超える圧力で生成され、空気中の周囲条件下で復元できるため、高圧材料の中でもユニークです。」
この研究は、Advanced Materials 誌に掲載されました。