Обнаружены структуры, более твердые, чем природный алмаз
 Наномасштабное изображение новой алмазо-подобной структуры, созданной китайскими учеными. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Природный алмаз впервые был упомянут в Индии более 2,7 тыс. лет назад. По сей день он остается самым твердым материалом, известным человеку. В 1950 году ученые начали синтезировать алмазы в лабораторных условиях при высоких давлениях и температурах. С тех пор не прекращаются попытки создать материалы более прочные, нежели природный алмаз, несмотря на то, что многие ученые считают подобные попытки бесполезными.
Удивительная твердость природных алмазов привела к тому, что этот материал активно используется для обработки поверхности и создания всевозможных промышленных инструментов. Однако, тот факт, что он начинает окисляться при температуре около 800 градусов по шкале Цельсия, означает, что подобные инструменты очень быстро изнашиваются при высоких температурах. Это один из самых серьезных недостатков алмаза. Долгое время исследователи пытались повысить твердость синтетического алмаза путем уменьшения размера его зерна (примерно до 10 – 30 нм), но подобные композитные материалы обладают еще меньшей термической стабильностью.
В своей последней работе команда из Yanshan University (Китай) утверждает, что им удалось создать образцы, более прочные, нежели природный или синтетический алмаз. Созданная структура также состоит из атомов углерода, но, в отличие от «классического» алмаза включает в себя так называемые «двойные домены», размеры которых не превышают 5 нм в диаметре. За счет этого материал оказывается более устойчивым к разрушению, в том числе при высоких температурах. Упомянутые структуры начинают окисляться только при температуре более 1000 градусов по шкале Цельсия. Стоит отметить, что новый материал также нарушает известный принцип для сверхтвердых материалов, гласящий, что, чем выше твердость материала, тем ниже его сопротивление развитию трещин.
Обычно для синтеза наноструктурного алмаза в качестве прекурсора используется графит. Когда графит превращается при высоких давлениях и температурах в алмаз, проще получить относительно крупные зерна, поскольку соседние участки кристаллической решетки с аналогичной ориентацией легко сливаются между собой и становятся больше. Поэтому до сих пор никогда не сообщалось о создании синтетического алмаза диаметром менее 10 нм. Но в своей работе, вместо графита, китайские ученые использовали в качестве основы углеродные наночастицы, состоящие из концентрических графитоподобных оболочек. При высоких давлениях (от 18 до 25 ГПа) и температурах около 2000 градусов по Цельсию эти структуры переходят в прозрачный материал, содержащий нанокристаллические алмазные включения с размером домена всего 5 нм.
Также в этих структурах можно наблюдать так называемые «двойные домены», придающие материалу совсем иные свойства. Исследователи определили, что твердость нового материала достигает 200 ГПа. Для сравнения твердость монокристаллического алмаза находится в диапазоне от 60 до 130 ГПа, а для наноалмазов без двойных доменов этот параметр достигает 145 ГПа. Предложенный материал может использоваться в качестве инструмента для самой разнообразной промышленной обработки, сверления и т.п. Кроме того, он идеально подходит для создания так называемых ячеек с алмазными наковальнями, поскольку ожидается, что материал сможет выдерживать давление в 500 ГПа и даже 1 ТПа.
В настоящее время научная группа занята усовершенствованием методики производства наноалмазов с двойными доменами – за счет модификации используемых в основе наночастиц, они пытаются снизить давление, необходимое для синтеза фрагментов. Их конечная цель – разработать методику, которую можно будет применять в промышленных масштабах.
Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Также по теме:
- Физики открыли новые грани подобия механического повреждения поверхностей
- Наноразмерный зонд позволит биологам обнаруживать единичные атомы
- Алмазы позволяют повысить точность классического МРТ и ЯМР
- Улучшенная ячейка с алмазными наковальнями позволяет создавать еще большее давление
- Карбид кремния открывает новые возможности для квантовых вычислений
Источники: