Алмазная оболочка делает фуллерит рекордсменом по твердости — Naked Science
9 минут
ФизТех

Алмазная оболочка делает фуллерит рекордсменом по твердости

Физики смоделировали структуру нового материала на основе фуллерита и алмаза с помощью которой показали, как материал приобретает сверхвысокую механическую жёсткость.

Фуллерен
Фуллерен / Википедия

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 ТИСНУММФТИСколтеха 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».

фуллерит (3).png
Молекула фуллерена (слева) и, фуллерит, полимеризованный фуллерит со структурой SH. (справа)      

Полученное вещество не было монокристаллическим, оно состояло из аморфного углерода и полимеризованных молекул С60. При этом не до конца было понятно с чем связаны такие уникальные механические свойства материала. Известно, что молекула фуллерена обладает исключительной механической жёсткостью. А кристалл фуллерита, состоящий из этих молекул, при нормальных условиях — достаточно мягкий материал, но под давлением (3D-полимеризация) становится твёрже алмаза. Вот уже более 20 лет этот материал исследуют, но до сих пор была неизвестна причина того, почему материал получается ультратвёрдым.

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».

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
213 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Сегодня, 07:05
10 минут
Василий Парфенов

Американские исследователи проанализировали данные опросов молодежи в возрасте от 18 до 23 лет с 2007 по 2017 год и обнаружили несколько факторов, коррелирующих с общей тенденцией к снижению популярности случайного секса, то есть нерегулярных половых связей вне постоянных романтических отношений. Среди наиболее заметных — возросшая вовлеченность в компьютерные игры, жизнь под одной крышей с родителями и меньшее употребление алкоголя.

8 часов назад
7 минут
Василий Парфенов

С момента появления систем автономного вождения многие задавались вопросом: а как они будут выглядеть в идентичных условия? К счастью, у нас наконец-то появилась возможность сравнить два самых известных автомобильных автопилота: системы разработки Tesla и Waymo — дочерней структуры Alphabet, владеющей Google. Машины проехали по одному маршруту, но сделали это совершенно по-разному, что весьма удивляет.

7 часов назад
10 минут
Мария Азарова

Исследование предоставило доказательства более плохого состояния костей тех, кто придерживается веганской диеты. Также исследователи обнаружили комбинацию биомаркеров, связанных с питанием, которые могут способствовать здоровью костной ткани.

2 марта
42 минуты
Редакция

Все знают, что нефть — это углеводороды. Но из чего она образовалась? Правда ли, что из динозавров? И сколько миллионов лет нефти, из которой сегодня делают бензин и сотни других важных окружающих нас вещей? Разбираемся, какие запасы нефти залегают в России и сколько их осталось, почему их до сих пор не добыли, а также, как это связано с существами, которые жили миллионы лет назад.

2 марта
5 минут
Сергей Васильев

Моделирование показало, что через миллиард лет атмосфера нашей планеты переживет резкие изменения и потеряет весь свой кислород, отбросив жизнь к древнейшим анаэробным формам.

Сегодня, 07:05
10 минут
Василий Парфенов

Американские исследователи проанализировали данные опросов молодежи в возрасте от 18 до 23 лет с 2007 по 2017 год и обнаружили несколько факторов, коррелирующих с общей тенденцией к снижению популярности случайного секса, то есть нерегулярных половых связей вне постоянных романтических отношений. Среди наиболее заметных — возросшая вовлеченность в компьютерные игры, жизнь под одной крышей с родителями и меньшее употребление алкоголя.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

15 февраля
9 минут
Василий Парфенов

Новость, которую странно публиковать на серьезном научно-популярном портале, но от реальности не убежишь. Уфологи всего мира могут радоваться: американские военные официально признали, что изучали места крушения НЛО и в их распоряжении есть некие аномальные объекты, свойства которых выходят за рамки известных науке материалов.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: