Új, szuperkemény, hőálló „üveg”

2017.04.04.
A miniatűr ablak ellenáll az 1400 ⁰C-os hőmérsékletnek, és majdnem olyan kemény, mint a gyémánt.

Kutatók egy olyan rendkívül kemény és hőálló anyagot állítottak elő, amely ráadásul átlátszó is. Mindez magas hőmérsékleten és rendkívül magas nyomáson sikerülhetett. A világ harmadik legkeményebb anyagából készült kis korongok még 1000 ⁰C-os hőmérséklet felett is stabilak, így hőállóságuk nagyobb, mint a gyémánté.

A szilícium-nitrid (Si3N4) rendkívül kemény. Csak két olyan anyag van, ami még keményebb: a gyémánt és a gyakran csiszolóanyagként használt bór-nitrid. Keménysége miatt a szilícium-nitridet golyóscsapágyakhoz, vágószerszámokhoz, valamint az autóiparban és a repülőgépgyártásban motoralkatrészekhez használják. A kívánt alkatrészeket úgy állítják elő, hogy a por alakú alapanyagot nagy nyomáson és hőmérsékleten megfelelő alakúra préselik. Így jön létre a „hexagonális” szilícium-nitrid. 

A normál szilícium-nitrid azonban nem átlátszó, ezért mindeddig nem volt megfelelő rendkívül kemény ablakokhoz vagy optikai lencsékhez. A Német Elektronszinkrotron (DESY) kutatóinak Norimasa Nishiyama vezetésével elsőként sikerült a nyomás és a hőmérséklet növelésével átlátszó, „köbös” szilícium-nitridet előállítaniuk: egy rendkívül kemény és nagy hőállóságú anyagot.

Nishiyama és munkatársai a hexagonális szilícium-nitridet 1800 ⁰C-os hőmérsékletnek és a légköri nyomás 156000-szeresének tették ki. Ilyen körülmények között a hexagonális szilícium-nitrid „köbössé” és átlátszóvá válik. „Ennek az anyagnak az első átlátszó mintájáról van szó” – nyilatkozta Nishiyama.

 

A hexagonális és a köbös szilícium-nitrid kristályszerkezete. (Kép: © Materialscientist / CC-by-sa 3.0,wikipedia)

„Az átalakulás hasonló a szén átalakulásához, amelynek normál körülmények között szintén hexagonális szerkezete van, és nagy nyomáson a gyémánt elnevezésű, köbös módosulatává alakul át” – magyarázta a kutató. „Mindenesetre a szilícium-nitrid átlátszósága erősen függ a szemcsehatároktól.” Az alapanyag átlátszatlanságát az anyag kristályai között lévő számos apró lyuk és pórus okozza.

A kutatóknak sikerült kimutatniuk, hogy a köbös szilícium-nitrid szemcsehatárai nagyon vékonyak, és ez magyarázza az átlátszóságát. Az anyag egyes szemcséi közötti átmenet egy nanométernél is kisebb, vagyis mindössze néhány atom széles. „Ezenkívül a nagynyomású fázisban az oxigénszennyeződések az egész anyagban eloszlanak, és nem a szemcsehatároknál gyűlnek össze, mint normál körülmények között. Ez is döntő jelentőségű az átlátszóság szempontjából” – nyilatkozta Nishiyama.

 

A szemcsehatár, itt a szilícium-nitrid három szemcséje között, mindössze 1 nm széles. A képen az egyes atomok is felismerhetők. (Kép: © Norimasa Nishiyama, DESY/Tokyo Tech)

A nagy nyomáson előállított szilícium-nitridet a szintén átlátszó gyémánttól a szélsőséges hőmérséklettel szembeni ellenálló képessége különbözteti meg. „A gyémánt levegőn csak mintegy 750 ⁰C-ig stabil. Ezzel szemben a köbös szilícium-nitrid 1400 ⁰C-ig stabil” – magyarázta a kutató.

A szilícium-nitrid új változatát a jövőben mindenhol alkalmazni lehetne, ahol átlátszó és egyidejűleg rendkívül kemény és hőálló anyagokra van szükség. Azonban jelenleg még hátránya is van: az átlátszó szilícium-nitrid előállítása rendkívül körülményes. „Bár a nyersanyag olcsó, az átlátszó munkadarabok gyártásához kétszer akkora nyomásra van szükség, mint a mesterséges gyémánt esetében” – nyilatkozta Nishiyama.

Emellett a legyártott korong mérete is korlátozott. Kb. 5 mm-es átmérő még viszonylag egyszerűen megvalósítható. „Azonban 1 cm-nél nagyobb méret már nehezen elérhető” – ismerte el Nishiyama. Speciális alkalmazások, például az űrhajózás részéről azonban a szuperkemény ablaküveg nagy érdeklődésre tarthat számot.

 

 

Forrás: www.scinexx.de

 

Garamvölgyi Ágnes

 

Cikk értékelése: 
Szerző: Brigitte

Új hozzászólás

Filtered HTML

  • A webcímek és email címek automatikusan kattintható hivatkozásokká alakulnak.
  • Engedélyezett HTML jelölők: <a> <em> <strong> <cite> <blockquote> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd> <br> <p>
  • A sorokat és bekezdéseket a rendszer automatikusan felismeri.

Plain text

  • A HTML jelölők használata nem megengedett.
  • A webcímek és email címek automatikusan kattintható hivatkozásokká alakulnak.
  • A sorokat és bekezdéseket a rendszer automatikusan felismeri.
CAPTCHA
Ezzel a feladattal teszteljük, hogy valódi látogató vagy-e.

Kapcsolódó cikkek

A háromdimenziós grafén alkalmas lenne hidrogén tárolására – és mátrixnak a gyógyászatban és a nanotechnikában
A világ legvékonyabb optikai lencséjét alkották meg ausztrál kutatók.
Egy meglepő felfedezés hatékonyan védheti meg a jövőbeli motoralkatrészeket a súrlódástól.
Új adszorbens anyagokkal ki lehet nyerni a tengervízben oldott uránt.

Friss hírek

E-hajtómű? Miért ne?