Кіріспе

β Көміртек нитриді (бета көміртек нитриді), β C3N4 – алмастан да қатты болуы күтілетін өте қатты материал. Бұл материалды алғаш рет 1985 жылы Эми Лю және Марвин Л. Коэн ұсынған. Олар кристалдық байланыстардың сипатын зерттеу барысында, көміртек пен азот атомдарының 1:1,3 пропорциясындағы тұрақты кристалдық торда ерекше қысқа және берік байланыс құруға қабілетті екенін, соның салдарынан бұл материал алмастан да қатты болуы мүмкін деген теорияны айтты. β көміртек нитридінің наноөлшемді кристалдары мен наноқалқандары механохимиялық өңдеу арқылы жасалуы мүмкін.

Өңдеу

β C3N4 механохимиялық реакция арқылы синтезделуі мүмкін. Бұл әдіс аргон атмосферасында жоғары тазалықтағы графит ұнтақтарын аморфты наноөлшемге дейін шарлы ұнтақтауды қамтиды. Содан кейін аргон NH3 газ атмосферасымен алмастырылады, бұл β C3N4 сияқты наноөлшемді қабыршақтардың түзілуіне көмектеседі. Шарлы ұнтақтау кезінде, реагенттер мен графит ұнтағы бөлшектерінің қайталамалы түрде сынуы және бірігуі шарлардың ұнтақпен соқтығысуынан болады. Графит ұнтағы бөлшектерінің пластикалық деформациясы, төмен бұрышты дән шекараларымен бөлінген субдәншелерге ыдырау жолақтарының ыдырауынан туындайды, ал одан әрі ұнтақтау субдәншелердің мөлшерін наноөлшемге дейін азайтады. Жоғары қысым және қарқынды қозғалыс көміртектің сынық бетінде NH3 молекулаларының моноатомдық азотқа катализдік ыдырауын күшейтеді. Наноөлшемді көміртекті ұнтақтар бөлшек өлшемі мен беттік ауданының нәтижесінде өзінің көлемдік материалынан айтарлықтай өзгеше әрекет етеді, бұл наноөлшемді көміртекті ұнтақтың бос азот атомдарымен оңай реакцияласып, β C3N4 ұнтағын құрауына себеп болады.

Наноқалқандарды өндіру

Бір кристалды β C3N4 наноқалқандары ұнтақ немесе қабықша тәрізді қосылысты NH3 газ ағынымен термиялық қайтадан өңдегеннен кейін пайда болады. Наноқалқандардың мөлшері термиялық қайтадан өңдеу температурасы мен уақытына байланысты анықталады. Бұл наноқалқандар өз осі бойында диаметріне қарағанда жылдам өседі және жарты шар пішіндес ұштарына ие. Наноқалқандардың көлденең қимасы олардың қима морфологиясы призмалық екенін көрсетеді. Олардың аморфты фазаларды қамтитыны анықталды, бірақ NH3 атмосферасында 450 °C температурада үш сағат бойы қайтадан өңдегенде аморфты фаза мөлшері дерлік жойылды. Бұл наноқалқандар тығыз және екі кристалды құрылымды, нанотүтіктер емес. Бұл наноқалқандарды термиялық қайтадан өңдеу арқылы синтездеу, бір кристалды наноқалқандарды синтездеудің тиімді, төмен құнмен, жоғары өнімді әдісін ұсынады.

Синтездің баламалы әдістері

Ұнтақ немесе наноқұбырлар түрінде қалыптастырудың орнына, көміртек нитрид қосылысын жұқа, аморфты қабаттар түрінде соққылық толқынмен сығу технологиясы, жоғары азотты алдынғы заттардың пиролизі, диодты шашырату, сольвотермалды дайындау, импульсті лазерлік абляция немесе иондық имплантация арқылы да жасауға болады.

Өңдеу қиындықтары

Көміртегі нитридінің түзілу процесі мен синтезі жөнінде көптеген зерттеулер жүргізілгенімен, қосылыстың азот концентрациясы C3N4 үшін оптималды құрамнан кем болып келеді. Бұл, түзілу энтальпиясының оң мәнімен анықталатын, көміртек фазаларына және N2 газына қатысты термодинамикалық тұрақсыздыққа байланысты. Наноұнтақтарды коммерциялық түрде пайдалану өндірістің қиындықтары мен жоғары синтез құнынан туындаған төмен өнімділікпен шектеледі.

Морфология

β C3N4, β Si3N4 сияқты, тетраэдрлік (sp3) байланысы бар көміртек пен тригональды жазық азоттан (sp2) тұратын алтыбұрышты торға ие кристалдық құрылымға ие. Термиялық қайта кристалдандыру кристалдық морфологияны қабықша тәріздіден шар немесе таяқша тәрізді құрылымдарға өзгерту үшін қолданылуы мүмкін. Наноқалқандар көбінесе түзу болып келеді және басқа да кемшіліктері жоқ.

Қасиеттері

Алмаз (қазіргі кезде белгілі ең қатты материал) қаттылығымен тең немесе одан да жоғары қаттылық күтілуде, бірақ оның іс жүзінде дәлелденгені жоқ.