Создан новый материал для сверхстойких окон

Кубическая структура нитрида кремния. Фото: Scotti N. et.al / commons.wikimedia.org
Кубическая структура нитрида кремния. Фото: Scotti N. et.al / commons.wikimedia.org

Международный коллектив ученых создал прозрачный материал на основе нитрида кремния, сверхустойчивый к экстремальным условиям.

Требования к стеклам варьируются в зависимости от их применения. Для обычных окон достаточно высокой прозрачности и умеренной прочности стекла, но в науке и промышленности часто нужны более стойкие аналоги, способные выдержать экстремально низкие и высокие температуры. При этом они должны оставаться оптически прозрачными.

Исследователи синтезировали в японской лаборатории поликристаллический кубический нитрид кремния методом спекания: порошкообразные материалы подвергаются воздействию высоких температур и давления, образуя более крупные зерна. Исходным материалом был нитрид кремния с кристаллографической структурой — альфа-тип. Этот тип можно рассматривать как структуру, состоящую из слоев кремния и атомов азота в определенной последовательности и содержащую пустоты.

Давление и температура, при которых получился материал с нужными свойствами, — 15,6 гигапаскаля и 1800 градусов по Цельсию соответственно. Именно при таких условиях был получен нитрид кремния с кристаллографической структурой с-типа и размером зерен примерно 150 нанометров.

С-тип нитрида кремния (другое название — кубическая γ-Si3N4 форма) имеет структуру, в которой каждые два атома кремния соединяются с шестью атомами азота, образуя октаэдр, и один атом кремния соединяет четыре атома азота, образуя тетраэдр.

Эксперименты показали, что поликристаллический c-Si3N4 почти не имеет цвета (обладает высокой оптической прозрачностью) и является вторым наиболее прочным керамическим материалом среди оптически прозрачных стекол. Он сравним по прочности с сапфиром, который практически невозможно поцарапать и очень трудно разбить. Первое место занимает алмаз, но высокая стоимость не позволяет использовать его в промышленных масштабах.

Прозрачный поликристаллический c-Si3N4 потенциально может быть использован в промышленности для защиты оптических датчиков и детекторов в условиях повышенного давления и температуры. Также высокая прочность этого материала позволит использовать его в промышленности как часть поршневых двигателей, шарикоподшипников и режущих инструментов, и даже для линз фотоаппаратов и экранов дорогих наручных часов.

Одно из ограничений нового материала — для его производства требуется огромное давление, что ограничивает размер получаемого кусочка материала. Ученые получили образец диаметром два миллиметра, но сообщили, что при использовании более мощных прессов можно получить диски размером больше сантиметра.

Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.

Команда исследователей из университетов Великобритании изобрела гибкий метаматериал, который преобразовывает проходящие через него звуковые волны и может фокусировать их в определенной точке.

Теги:

Читать еще на Чердаке: