Физики из России раскрыли секрет рекордной твердости наноуглерода
Физики из ряда российских вузов и институтов выяснили, почему фуллерит, углеродный наноматериал, обладает более высокой твердостью, чем алмаз, несмотря на его "мягкую" структуру, говорится в статье, опубликованной в журнале Carbon.
"Мы надеемся, что наша работа приблизила нас к разрешению загадки ультратвердого углерода. Разработанная модель поможет понять природу его уникальных свойств, помочь направленно синтезировать новые ультратвердые углеродные материалы, и, надеюсь, будет способствовать дальнейшему развитию этой перспективной области науки", — заявил Павел Сорокин из Института сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ) в Троицке.
За последние годы ученые открыли несколько новых форм углерода и других веществ и соединений, таких как нитрид бора, способных соперничать с алмазом в механической прочности и других качествах, которые раньше считались отличительной чертой алмазов. В их число входят эльбор, карбин, фуллерит, нанополикристаллические алмазы и аморфный углерод, физическая подоплека многих свойств которых остается загадкой для ученых.
Ярким примером этого является фуллерит – материал, состоящий из фуллеренов, своеобразных нано-"мячиков" из нескольких десятков атомов углерода, "спрессованных" в единое целое. За последние годы ученые создали множество разновидностей фуллерита, обладающих самыми разными механическими и физическими свойствами. Одна из таких версий фуллерита, получившая имя "тиснумит", оказалась настолько твердой, что она может царапать алмаз.
Это открытие стало большой загадкой для ученых – фуллерит не является монокристаллическим материалом, как алмаз, и он в принципе не должен был обладать такой твердостью. Пытаясь понять, почему это происходит, физики из Московского физтеха в Долгопрудном, ТИСНУМа, Сколтеха и Института биохимической физики РАН в Москве создали компьютерную модель фуллерита на базе данных экспериментов и попытались раскрыть его структуру.
Как рассказывает Александр Квашнин из МФТИ, ученые обратили внимание на то, что сжатие фуллеренов при высокой температуре приводит к образованию нано-алмазов. Фуллерит изготовляется похожим образом, что заставило российских физиков предположить, что между этими процессами есть нечто общее.
Квашнин, Сорокин и их коллеги предположили, что сжатие фуллерита приводит к тому, что часть его фуллеренов превращается в алмазоподобную материю, а часть – сохраняет свою структуру, но при этом находится в "спрессованном" состоянии. Как показали расчеты ученых, комбинация "алмазной оболочки" и сжатых фуллеренов, находящихся внутри нее, повышает механическую прочность всей структуры и делает ее более прочной, чем просто сам алмаз.
Ученые надеются, что их компьютерная модель фуллерита и связанные с ней расчеты помогут создать еще более прочные версии этого материала и научиться изготовлять его в количествах, достаточных для его применения на практике и вытеснения алмазов с трона главного углеродного материала современной обрабатывающей промышленности.