Surpresa: Material criado em altíssima pressão continua estável em condições ambiente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/09/2019

Estrutura cristalina do pernitreto de rênio.
[Imagem: Maxim Bykov et al. - 10.1038/s41467-019-10995-3]

Materiais superduros

Cientistas da Rússia, Alemanha e Suécia, trabalhando conjuntamente, alcançaram um resultado que parecia impossível.

Eles criaram, a pressões ultra-altas, um novo material que preserva sua estrutura e suas propriedades mesmo quando ele é trazido à pressão atmosférica normal.

Além disso, ao tentar desvendar o mistério, eles descobriram que o tal material pode ser recriado em condições laboratoriais mais triviais através de reações químicas, dispensando as bigornas de diamante e fabricando-o em larga escala.

A equipe estava trabalhando na busca de versões superduras de carbonetos e nitretos de metais de transição. Esses metais têm alta dureza e elevado ponto de fusão, o que os torna úteis na produção de ligas metálicas resistentes ao calor, ferramentas de corte, sensores de alta temperatura, revestimentos de proteção resistentes a ácidos e uma série de outras aplicações.

Experimentos anteriores já haviam comprovado a capacidade de criar modificações de nitretos de metais de transição que são "impossíveis" para as condições da Terra - mas as modificações "se desintegraram" quando a pressão diminuiu.

Fabricado sob pressão, estável sem pressão

Maxim Bykov e seus colegas passaram então a trabalhar com o metal rênio, que apresenta uma estrutura promissora para alcançar elevadas densidades. E não apenas deu certo, como o experimento apresentou uma surpresa: o material modificado em alta pressão preservou sua nova estrutura e suas propriedades quando a pressão foi removida.

Esta é uma área de pesquisa tão quente que, recentemente, a Tabela Periódica foi reescrita para altas pressões.
[Imagem: ACS]

Durante o experimento, rênio e nitrogênio foram colocados na bigorna de diamante, que foi comprimida simultaneamente com aquecimento a laser acima de 1700 ºC. Como resultado, a pressões de 40 a 90 GPa (de 400 a 900 mil atmosferas da Terra), foi obtida uma estrutura monocristalina especial, chamada pernitreto de rênio, contendo dois átomos de nitrogênio, formando um pernitreto de nitreto de rênio.

"Nessa forma, o rênio é quase incompressível, pois seu módulo bruto é de cerca de 400 GPa. Após a modificação, isso aumentou para 428 GPa. Para comparação, o módulo do diamante é de 441 GPa. Além disso, graças aos componentes de nitrogênio, a dureza do pernitreto de rênio aumentou 4 vezes, para 37 GPa. Normalmente, os materiais obtidos em pressões ultra-altas não podem preservar suas propriedades após a extração da bigorna de diamante, mas desta vez nossos colegas ficaram agradavelmente surpresos," relatou o professor Igor Abrikosov, cuja equipe sintetizou, no ano passado, um silício "impossível".

Síntese química e deposição por vapor

Bigornas de diamante são muito úteis em experimentos, incluindo a sintetização de novos elementos químicos, mas são muito pequenas, complexas e caras para a produção de materiais em larga escala. Depois de compreender a teoria do que estava acontecendo com o pernitreto de rênio, a equipe se deu conta de que poderia ser possível produzi-lo em condições mais triviais. A solução veio na forma de uma reação química com azida de amônia em uma prensa de grande volume a 33 GPa.

Agora que a existência dessas modificações estruturais persistentes foi comprovada teórica e experimentalmente, a equipe pretende pesquisar outras formas de obter o material, a começar pela deposição de filmes finos.

Bibliografia:

Artigo: High-pressure synthesis of ultraincompressible hard rhenium nitride pernitride Re2(N2)(N)2 stable at ambient conditions
Autores: Maxim Bykov, Stella Chariton, Hongzhan Fei, Timofey Fedotenko, Georgios Aprilis, Alena V. Ponomareva, Ferenc Tasnádi, Igor A. Abrikosov, Benoit Merle, Patrick Feldner, Sebastian Vogel, Wolfgang Schnick, Vitali B. Prakapenka, Eran Greenberg, Michael Hanfland, Anna Pakhomova, Hanns-Peter Liermann, Tomoo Katsura, Natalia Dubrovinskaia, Leonid Dubrovinsky
Revista: Nature Communications
Vol.: 10, Article number: 2994
DOI: 10.1038/s41467-019-10995-3