Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
β Carbon nitride (beta carbon nitride), β C3N4, is a superhard material predicted to be harder than diamond. The material was first proposed in 1985 by Amy Liu and Marvin L. Cohen. Examining the nature of crystalline bonds they theorised that carbon and nitrogen atoms could form a particularly short and strong bond in a stable crystal lattice in a ratio of 1:1.3, and that this material could be harder than diamond. Nanosized crystals and nanorods of β carbon nitride can be prepared by mechanochemical processing.
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.
β C3N4 can be synthesized in a mechanochemical reaction. This method involves ball milling of high purity graphite powders down to an amorphous nanoscale size under an argon atmosphere. Then argon is replaced by an NH3 gas atmosphere, which helps to form nanosized flake like β C3N4. During ball milling, fracture and welding of the reactants and graphite powder particles occur repeatedly from ball/powder collisions. Plastic deformation of the graphite powder particles occur due to the shear bands decomposing into sub grains that are separated by low angle grain boundaries, further milling decreases the sub grain size until nanosize sub grains form. The high pressure and intense motion promotes catalytic dissociation of NH3 molecules into monatomic nitrogen on the fractured surface of the carbon. Nanosized carbon powders act substantially different from its bulk material as a result of particle dimension and surface area, causing the nanosized carbon to easily react with the free nitrogen atoms, forming β C3N4 powder.
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.
Single crystal β C3N4 nanorods can be formed after the powder like or flake like compound is thermally annealed with an NH3 gas flow. The size of the nanorods is determined by the temperature and time of thermal annealing. These nanorods grow faster in their axis direction than the diameter direction and have hemispherical like ends. A cross section of the nanorods indicates that their section morphology is prismatic. It was discovered that they contain amorphous phases, however when annealed to 450 °C for three hours under an NH3 atmosphere, the amount of the amorphous phase diminished to almost none. These nanorods are dense and twinned rather than nanotubes. Synthesizing these nanorods through thermal annealing provides an effective, low cost, high yield method for the synthesis of single crystal nanorods.
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.
Rather than forming a powder or nanorod, the carbon nitride compound can alternatively be formed in thin amorphous films by either shock wave compression technology, pyrolysis of high nitrogen content precursors, diode sputtering, solvothermal preparation, pulsed laser ablation, or ion implantation.
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.
Although extensive studies on the process and synthesis of the formed carbon nitride have been reported, the nitrogen concentration of the compound tends to be below the ideal composition for C3N4. This is due to the low thermodynamic stability with respect to carbon phases and N2 gas, indicated by a positive value of the enthalpies of formation. The commercial exploitation of nanopowders is very limited by the high synthesis cost along with difficult methods of production that causes a low yield.
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.
β C3N4 has the same crystal structure as β Si3N4 with a hexagonal network of tetrahedrally (sp3) bonded carbon and trigonal planar nitrogen (sp2). Thermal annealing can be used to change the crystal morphology from flake like into sphere or rod like structures. The nanorods are generally straight and contain no other defects.
Қасиеттері
Алмаз (қазіргі кезде белгілі ең қатты материал) қаттылығымен тең немесе одан да жоғары қаттылық күтілуде, бірақ оның іс жүзінде дәлелденгені жоқ.
A hardness equal or above that of diamond (the hardest known material) has been predicted, but not yet demonstrated.