Физики смоделировали структуру нового материала на основе фуллерита и алмаза с помощью которой показали, как материал приобретает сверхвысокую механическую жёсткость. Это открытие позволяет оценить потенциальные условия для получения ультратвёрдых материалов. Результаты опубликованы в журнале Carbon.
Фуллерит — это молекулярный кристалл, в узлах решётки которого находятся молекулы фуллерена. Фуллереном называют молекулярную форму углерода атомы в которой образуют сферу наподобие футбольного мяча. Её открыли более тридцати лет назад Крото, Смолли и Кёрл, за что в 1996 году получили Нобелевскую премию по химии. Углеродные сферы в составе фуллерита могут быть по-разному упакованы, и твёрдость материала очень сильно зависит от того, как именно фуллерены связаны между собой. Группе учёных из ФГБНУ ТИСНУМ, МФТИ, Сколтеха и МИСиС под руководством профессора, доктора физико-математических наук Леонида Чернозатонского из Института биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН и доктора физико-математических наук Павла Сорокина, ведущего научного сотрудника лаборатории «Неорганические наноматериалы» МИСиС, преподавателя МФТИ, удалось объяснить, почему фуллерит становится ультратвёрдым материалом.
Александр Квашнин, к.ф.-м.н., автор работы: «Я работал в Технологическом институте сверхтвёрдых и новых углеродных материалов, когда начала обсуждаться идея данной работы. Там в 1998 году впервые группой учёных под руководством Владимира Давыдовича Бланка был получен новый материал на основе фуллеренов — ультратвёрдый фуллерит или “тиснумит”. Этот материал мог царапать алмаз, то есть по сути был твёрже, чем алмаз».
Существует ряд моделей того, как фуллерены могут полимеризоваться в фуллерит. Спектр рентгеновской дифракции одной из моделей предложенной Леонидом Чернозатонским очень хорошо сочетался с экспериментом. Структура должна была обладать исключительной твёрдостью, а также большим объёмным модулем упругости (характеристика способности вещества сопротивляться всестороннему сжатию), больше чем у алмаза, в несколько раз. Однако оказалось что в релаксированном состоянии она не имеет этих уникальных свойств.
Александр Квашнин: «Мы взяли за основу эту модель и экспериментально известный факт — если порошок фуллерена сдавливать большим давлением свыше 10 ГПа и нагревать до температуры свыше 1800 К, образуется поликристаллический алмаз. Идея была в том, чтобы скомбинировать эти два факта. С одной стороны — сверхтвёрдый материал из фуллерита, а с другой — под давлением сжатые фуллерены переходят в поликристаллический алмаз».
Учёные предположили, что при сжатии часть фуллерита перешла в алмазоподобный углерод, а часть сохранила свою структуру, но при этом оказалась в сжатом состоянии. В разработанной модели структура, взятая за основу, в сжатом состоянии была помещена внутрь монокристаллического алмаза, после чего были изучены её свойства. Суть идеи в том, что сжатый фуллерит внутри алмаза имеющий повышенную механическую жёсткость, удерживается алмазной оболочкой, что приводит к повышенным механическим характеристикам уже всей структуры. В ходе работы выяснилось, что с увеличением размера фуллеритового кластера и при сохранении размеров алмазной оболочки спектр рентгеновской дифракции материала становился ближе к экспериментальному, при этом его механические характеристики значительно превосходили характеристики алмаза. Из сравнения спектров было предположено, что, скорее всего, в эксперименте получилась аморфная углеродная среда, в которой находился сжатый фуллерит.
Павел Сорокин, д.ф.-м.н., автор работы: «Мы надеемся, что наша работа приблизила нас к разрешению загадки ультратвёрдого углерода. Разработанная модель поможет понять природу его уникальных свойств, помочь направленно синтезировать новые ультратвёрдые углеродные материалы, и, надеюсь, будет способствовать дальнейшему развитию этой перспективной области науки».
