Внутренний беспорядок сделал фуллерит тверже алмаза

Работа опубликована в журнале Carbon. Углерод образует множество аллотропных модификаций, начиная с графита и алмаза и заканчивая более сложными структурами, такими как нанотрубки и фуллерены. Но и на эти соединения можно воздействовать высокими давлениями, чтобы получить материалы с новыми полезными свойствами. Например, смесь фуллеренов, которые представляют объемные шарообразные модификации из 60 и более атомов углерода, сжимают при давлениях в несколько сотен тысяч атмосфер.

Молекулы фуллеренов деформируются, связываются друг с другом в группы — нанокластеры, и получаются фуллериты — аморфные материалы, по прочности сравнимые с алмазами. У физиков есть общие представления о структуре фуллеритов, но при этом она еще не до конца изучена.

Группа ученых под руководством Михаила Попова, профессора кафедры физики и химии наноструктур МФТИ, рассмотрела эти аморфные материалы с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света и показала, как можно получить информацию о каждом кластере фуллерита, его твердости, а также сравнила его характеристики с наноалмазом.

Аспирант МФТИ, первый автор работы Федор Хоробрых поясняет: «Ультратвердый фуллерит — уникальный материал, который состоит из многих маленьких углеродных структур (нанокластеров) различных размеров. На спектрах комбинационного рассеяния света мы видим, что разные кластеры высвечиваются на разной длине волны лазера. С ее ростом должна падать интенсивность сигнала. Но на самой большой длине волны в один микрон, к нашему удивлению, произошел резонанс — высветились все пики нанокластеров! Благодаря этому мы смогли обнаружить, насколько разнообразна структура ультратвердого фуллерита».

В методе спектроскопии комбинационного рассеяния света исследуемый материал облучается лазером определенной длины волны. Свет взаимодействует с колебаниями атомов или другими возбуждениями и переизлучается веществом на другой длине. Разница длин отображается на спектре, и по ее величине можно определить структуру и колебательный спектр вещества.

В работе физики облучали ультратвердый фуллерит светом с длинами волн от 257 до 1064 нанометров. Положение пика в спектре смещалось с ростом длины волны. Ученые объяснили это тем, что разное излучение активирует разные нанокластеры внутри фуллерита. А при облучении светом в 1064 нанометров произошел резонанс — на спектре отобразилось множество пиков, соответствующих каждому нанокластеру. Такой резонанс физики наблюдали впервые.

Затем ученые сравнили спектры ультратвердого фуллерита и смеси нанометровых алмазов, в которых атомы углерода соединяются между собой таким же образом — так называемыми sp3-связями. Результаты оказались аналогичны. Это означало, что именно наличие разных нанокластеров с преимущественным sp3-связыванием определяет спектр этих углеродных материалов вне зависимости от способа получения и типов кластеров в структуре. При этом в ультратвердом фуллерите так же, как и в наноалмазах, каждый кластер материала имеет различные механические характеристики. Это объясняется разными размерами, формами кластеров и особенностями ковалентных связей внутри них.

Федор Хоробрых добавляет: «В этой работе мы объясняем, что структура фуллерита состоит из разных sp3-кластеров фуллерена различных размеров, которые отличаются механическими свойствами, такими как жесткость. Причем каждый кластер внутри материала мы можем отдельно почувствовать, изучить. Мы показали: если углеродная структура состоит из sp3-связанных кластеров, то спектр комбинационного рассеяния света будет такой же, как у смеси наноалмазов. Интересно будет в дальнейшем изучить спектральные свойства ультратвердого фуллерита под высоким давлением вблизи резонанса».

В работе, кроме ученых МФТИ и ТИСНУМ, принимали участие их коллеги из НТЦ уникального приборостроения РАН, Института спектроскопии РАН, (Троицк), Сколтеха, МИСиС, МГУ имени М. В. Ломоносова, Проектного центра ИТЭР и Физического института имени П. Н. Лебедева. Работа выполнена при поддержке РНФ. 

ФизТех

459 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.

Показать больше