Zastosowanie wysokiego ciśnienia do otrzymywania materiałów

Synteza materiałów twardszych od diamentu

Diament jest powszechnie uważany za materiał o najwyższej twardości. Wynika to z wysokiej energii wiązań kowalencyjnych węgiel-węgiel (hybrydyzacja sp³). Wiązania te odznaczają się przy tym bardzo małą długością. Zbieżność ta nie jest przypadkowa – wiadomo, że moduł ściśliwości dla kryształów o wiązaniu kowalencyjnym zależy od długości wiązania i jest określony wzorem (GPa). Zależność ta jest bardzo dobrze spełniana dla kryształów pierwiastków 14 grupy układu okresowego: C, Si, Ge, Sn, oraz ich związków, np. SiC. Dla kryształów związków pierwiastków grup III-V (pierwiastków grupy 13 i grupy 15) oraz II-VI (grupy 12 i 16) układu okresowego wzór trzeba zmodyfikować; otrzymuje się wówczas proste zależności określające skalowanie właściwości sprężystych z długością wiązania, obarczone niewielkim błędem.

W związkach o wiązaniach kowalencyjnych atomom można przyporządkować promienie kowalencyjne, określające wkład każdego z nich do długości wiązania. Okazuje się, że promień kowalencyjny azotu jest mniejszy niż promień kowalencyjny węgla. Sądzi się więc, że kryształ związku o wzorze C₃N₄, o strukturze analogicznej do struktury znanego związku Si₃N₄, powinien odznaczać się modułem ściśliwości większym od diamentu. Moduły obliczone na podstawie zależności skalowania wynoszą: 435 GPa dla diamentu oraz 481 GPa dla C₃N₄. Eksperymentalnie wyznaczona wartość modułu ściśliwości dla diamentu jest zgodna z obliczoną.

Syntezę materiału o przewidywanych właściwościach, bardziej twardego niż diament, przeprowadzono w podobnej aparaturze wysokociśnieniowej, jaką stosuje się do otrzymywania diamentu (aparatura typu belt, aparatura kowadłowa) lub też metodami plazmowymi, polegającymi na bombardowania grafitu wiązką jonów w atmosferze azotu w niskich temperaturach (50-170°C). Nie udało się, jak dotąd, otrzymać monokryształów lub warstw krystalicznych o składzie chemicznym podobnym do zaprogramowanego związku. Z badań widm Ramana, pomiaru transmisji optycznej oraz widm absorpcyjnych w podczerwieni wynika, że otrzymana faza jest amorficzna, a także, że występują w niej wiązania C-N. Potwierdza to możliwość uzyskania kryształów C₃N₄. Użycie metod wysokociśnieniowych stwarza szansę przeprowadzenia procesu syntezy w wyższych temperaturach i otrzymania kryształów C₃N₄, podobnie jak kryształów GaN.