Предложена структура «графитоалмаза»
 Сравнение кристаллических структур графита (сверху) и нового bct-углерода (снизу). (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
С самого начала исследований структурных модификаций углерода было известно, что графит при воздействии высокого давления при комнатной температуре (в условиях, известных как холодное сжатие) подвергается обратимым преобразованиям. Однако химические и структурные особенности этого состояния до сих пор оставались не изученными. В 2003 году был проведен прямой эксперимент по исследованию образующейся кристаллической структуры при помощи рентгеновского излучения. Тогда было обнаружено, что при давлениях более 170 тысяч атмосфер углерод переходит в состояние, где каждый атом имеет 3 или 4 связи со своими «соседями». При этом структура была отличная от алмазной, которая появляется при гораздо больших температуре и давлении. Новая форма во многом напоминала графит, но при этом могла оцарапать алмаз.
С тех пор непрерывно велся поиск трехмерной структуры, которая обеспечивала бы все обнаруженные свойства. К сожалению, экспериментальная техника не позволяет увидеть напрямую расположение атомов в структуре, таким образом, ученым пришлось довольствоваться лишь полученной в рамках эксперимента 2003 года дифракционной картиной рентгеновского излучения.
Идея заключалась в том, что когда отдельные листы графита (известные как графен) прижимаются друг к другу, должны формироваться новые химические связи между отдельными «уровнями». В 2009 году ученые предположили, что новая форма, полученная методом холодного сжатия, должна представлять собой смесь двух известных структурных модификаций. Одной из компонент был графит, кристаллическая решетка которого построена на базе шестигранных колец. Другая компонента – новая форма, так называемый М-углерод, сочетающая в себе пяти- и семигранные кольца. Однако, более ранние эксперименты других исследовательских групп показывали, что углеродные нанотрубки при высоком давлении «перестраивали» себя в структуры, состоящие из четырехатомных колец. Так научный мир пришел к идее bct-углерода, где четырехатомные кольца соединяются в трехмерную сеть.
Подробно теоретически доказательства и описание новой структуры приведены в статье в журнале Physical Review Letters. Совместная научная группа из США и Японии показала, что данная структура возможна на практике. По их утверждениям, при давлениях около 180 тысяч атмосфер новая структурная модификация более устойчива, чем обычный графит (оценки производились путем квантово-механического моделирования). Команда также смоделировала дифракционную картину для рентгеновского излучения в новой структуре и обнаружила очевидные сходства результата с экспериментальными данными 2003 года. Позже, в материалах Physical Review B их коллеги показали, что энергия, необходимая для создания bct-углерода достаточно мала, т.е. подобная структура вполне могла появиться в рамках эксперимента в 2003 году.
Полученные результаты позволяют констатировать факт обнаружения новой чрезвычайно простой углеродной кристаллической структуры с особыми свойствами, которые еще предстоит изучить подробнее.
Также по теме:
Источники: