Los científicos han sintetizado la primera muestra transparente de una cerámica industrial popular en DESY. El resultado es una ventana súper dura hecha de nitruro de silicio cúbico que puede usarse potencialmente en condiciones extremas como en motores, como escribe el equipo japonés-alemán enel periódico Informes científicos . El nitruro de silicio cúbico c-Si3N4 se forma bajo alta presión y es la segunda nanocerámica transparente más dura después del diamante, pero puede soportar temperaturas sustancialmente más altas.
"El nitruro de silicio es una cerámica muy popular en la industria", explica el autor principal, el Dr. Norimasa Nishiyama de DESY, que ahora es profesor asociado en el Instituto de Tecnología de Tokio. "Se utiliza principalmente para rodamientos de bolas, herramientas de corte y piezas de motor enindustria automotriz y aeronáutica. "La cerámica es extremadamente estable, porque el enlace silicio-nitrógeno es muy fuerte. A presiones ambientales, el nitruro de silicio tiene una estructura cristalina hexagonal y la cerámica sinterizada de esta fase es opaca. La sinterización es el proceso de formación de estructuras macroscópicas a partir dematerial de grano utilizando calor y presión. La técnica se utiliza ampliamente en la industria para una amplia gama de productos, desde cojinetes de cerámica hasta dientes artificiales.
A presiones superiores a 130 mil veces la presión atmosférica, el nitruro de silicio se transforma en una estructura cristalina con simetría cúbica que los expertos llaman tipo espinela en referencia a la estructura de una piedra preciosa popular. La espinela artificial MgAl2O4 se usa ampliamente como cerámica transparente en"La fase cúbica del nitruro de silicio fue sintetizada por primera vez por un grupo de investigación de la Universidad Técnica de Darmstadt en 1999, pero el conocimiento de este material es muy limitado", dice Nishiyama. Su equipo utilizó una prensa de gran volumen LVP en DESY paraexponen el nitruro de silicio hexagonal a altas presiones y temperaturas. Aproximadamente a 156 mil veces la presión atmosférica 15,6 gigapascales y una temperatura de 1800 grados Celsius, se forma una pieza transparente de nitruro de silicio cúbico con un diámetro de unos dos milímetros.muestra transparente de este material ", enfatiza Nishiyama.
El análisis de la estructura cristalina en la fuente de luz de rayos X de DESY, PETRA III, mostró que el nitruro de silicio se había transformado completamente en la fase cúbica. "La transformación es similar al carbono que también tiene una estructura cristalina hexagonal en condiciones ambientales y se transforma en unfase cúbica transparente llamada diamante a altas presiones ", explica Nishiyama." Sin embargo, la transparencia del nitruro de silicio depende en gran medida de los límites de los granos. La opacidad surge de los espacios y poros entre los granos ".
Las investigaciones con un microscopio electrónico de transmisión de barrido en la Universidad de Tokio demostraron que la muestra de alta presión tiene solo límites de grano muy delgados. "Además, en la fase de alta presión, las impurezas de oxígeno se distribuyen por todo el material y no se acumulan en lalímites de grano como en la fase de baja presión. Eso es crucial para la transparencia ", dice Nishiyama.
"El nitruro de silicio cúbico es la cerámica de espinela transparente más dura y resistente jamás fabricada", resume Nishiyama. Los científicos prevén diversas aplicaciones industriales para sus ventanas superduras. "El nitruro de silicio cúbico es la tercera cerámica más dura conocida, después del diamante y el boro cúbiconitruro ", explica Nishiyama." Pero los compuestos de boro no son transparentes, y el diamante solo es estable hasta aproximadamente 750 grados Celsius en el aire. El nitruro de silicio cúbico es transparente y estable hasta 1400 grados Celsius ".
Sin embargo, debido a la gran presión necesaria para sintetizar el nitruro de silicio cúbico transparente, el tamaño posible de la ventana está limitado por razones prácticas. "La materia prima es barata, pero para producir muestras transparentes macroscópicas necesitamos aproximadamente el doble de presión que para los diamantes artificiales", dice Nishiyama." Es relativamente fácil hacer ventanas con diámetros de uno a cinco milímetros. Pero será difícil alcanzar algo de más de un centímetro ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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