Extremadamente duro pero metálicamente conductivo

Material nuevo con perspectivas de alta tecnología

09.07.2019

BGI, Maxim Bykov

La estructura del pernitruro de nitruro de renio que contiene átomos individuales de nitrógeno (rojo) y mancuernas de nitrógeno N-N (azul). Las esferas más grandes muestran átomos de renio.

Un grupo de investigación internacional dirigido por científicos de la Universidad de Bayreuth ha identificado un material previamente desconocido en DESY: el pernitruro de nitruro de renio. Gracias a una combinación de propiedades que antes se consideraban incompatibles, parece que se convertirá en un producto muy atractivo para las aplicaciones tecnológicas. De hecho, es un conductor metálico súper duro que puede soportar presiones extremadamente altas como un diamante. El proceso de producción desarrollado en Bayreuth abre la posibilidad de sintetizar también otros materiales tecnológicamente interesantes en cantidades suficientemente grandes.

La posibilidad de encontrar un compuesto que fuera metálicamente conductivo, súper duro y ultra-incompresible se consideró durante mucho tiempo improbable en la ciencia. Se consideró que estas propiedades no podían presentarse simultáneamente en el mismo material y, por lo tanto, eran incompatibles. Pero este prejuicio ha sido refutado por el trabajo de investigación ahora publicado, que ha pasado por dos etapas de desarrollo en Hamburgo y Bayreuth: "La caracterización inicial del pernitruro de nitruro de renio se hizo con una pequeña muestra en una celda de yunque de diamante de alta presión en DESY con la ayuda de nuestra fuente de luz de rayos X PETRA III", dice el coautor Hanns-Peter Liermann, jefe de la línea de haz de condiciones extremas (ECB) en DESY. Bajo una presión de compresión de 40 a 90 gigapascales, correspondiente a 400.000 a 900.000 veces la presión atmosférica, se produjeron pequeñas cantidades de este material en una celda de yunque de diamante que también podía ser recuperada a presión ambiente. Re2(N2)(N)2 es su fórmula química.

"La estructura cristalina que descubrimos en Hamburgo en la fuente de luz de rayos X PETRA III nos sorprendió mucho: Contiene tanto los átomos de nitrógeno individuales como las mancuernas de nitrógeno N-N, en las que dos átomos de nitrógeno están fuertemente unidos entre sí. Esta estructura interna crea obviamente una resistencia muy alta a la presión que actúa sobre los cristales desde el exterior: El pernitruro de nitruro de renio es ultra-incompresible", dice el autor principal Maxim Bykov, investigador postdoctoral del Instituto Bávaro de Investigación de Geoquímica Experimental y Geofísica (BGI) de la Universidad de Bayreuth y con sede en DESY en Hamburgo.

En BGI fue posible producir el nuevo material en una prensa de gran volumen a una presión significativamente más baja de 33 gigapascales. "Las aplicaciones de la tecnología de prensas de gran volumen para la síntesis de materiales son de gran importancia para la ciencia de los materiales", enfatiza el coautor Tomoo Katsura de BGI. En el corazón del nuevo proceso se encuentra una reacción del renio con la azida amónica. El pernitruro de nitruro de renio sintetizado de esta manera puede ser investigado bajo condiciones ambientales. Y el proceso puede ser utilizado para la síntesis de otros nitruros, en particular nitruros de metales de transición, que también podrían tener propiedades tecnológicamente importantes. Por lo tanto, esta investigación muestra de forma ejemplar qué innovación puede resultar de la investigación de alta presión en la ciencia de los materiales.

"Aunque el ámbito exacto de aplicación del nuevo material sigue siendo difícil de comprender, su excepcional combinación de propiedades físicas hace del nitruro de renio un material que puede ayudar a afrontar los retos tecnológicos del futuro", explica la coautora Natalia Dubrovinskaia, del Laboratorio de Cristalografía de la Universidad de Bayreuth, que coordinó el trabajo junto con Leonid Dubrovinsky del BGI. "Sin embargo, lo importante de nuestro nuevo estudio no son sólo los resultados como tales, o las aplicaciones tecnológicas que podrían surgir algún día", añade Dubrovinsky. "Lo que es particularmente emocionante es que el desarrollo y la síntesis del nuevo material contradice y refuta claramente los puntos de vista anteriores que estaban firmemente establecidos en la ciencia de los materiales. Hemos logrado hacer algo que, según las predicciones anteriores, no debería haber sido posible en absoluto. Esto debería estimular y alentar nuevos trabajos teóricos y experimentales en el campo de la síntesis de materiales a alta presión".

Además de la Universidad de Bayreuth y DESY, también participaron en el trabajo la Universidad Friedrich Alexander de Erlangen-Nuremberg, la Universidad Ludwig Maximilian de Munich, la Universidad de Linköping, el laboratorio de modelización y desarrollo de materiales de Moscú y la Instalación Europea de Radiación Sincrotrónica (ESRF) de Grenoble.

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