С помощью моделирования структуры материала, созданного на основе фуллерита и алмаза, физики продемонстрировали, как он достигает исключительной механической прочности.
Используя компьютерное моделирование, физики изучили структуру материала, созданного на основе фуллерита и алмаза, и продемонстрировали, как он достигает исключительной механической прочности. Данное открытие позволяет определить возможные пути создания материалов с ультравысокой твёрдостью. Результаты исследования были опубликованы в журнале Carbon.
Фуллерит — это молекулярный кристалл, в узлах решётки расположены молекулы фуллерена. Фуллерен – это молекулярная структура углерода, атомы которой формируют сферу, напоминающую футбольный мяч. Более тридцати лет назад Крото, Смолли и Кёрл совершили открытие фуллеренов, за что в 1996 году были удостоены Нобелевской премии по химии. Углеродные сферы, входящие в состав фуллерита, могут быть упакованы различными способами, и твёрдость материала в значительной степени определяется характером связей между фуллеренами. 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, кандидат философских наук, является автором данной работы: «Когда началась разработка этой работы, я работал в Технологическом институте сверхтвёрдых и новых углеродных материалов. Именно там, в 1998 году, группа ученых во главе с Владимиром Давыдовичем Бланком впервые создала новый материал на основе фуллеренов — ультратвёрдый фуллерит, также известный как “тиснумит”. Этот материал способен царапать алмаз, что, по сути, говорит о его большей твёрдости по сравнению с алмазом».
Полученное вещество не представляло собой монокристалл, оно состояло из аморфного углерода и полимеризованных молекул C60. Однако, механизм, определяющий его уникальные механические свойства, оставался не до конца ясным. Известно, что молекула фуллерена характеризуется исключительной механической жёсткостью. При этом кристалл фуллерита, образованный этими молекулами, при нормальных условиях является достаточно мягким материалом, но приобретает твёрдость, превосходящую алмазную, под воздействием давления (3D-полимеризация). Этот материал исследуется уже более 20 лет, однако причина его ультратвёрдости до сих пор оставалась невыясненной.
Существуют различные модели, описывающие процесс полимеризации фуллеренов в фуллерит. Результаты рентгенодифракционного анализа одной из моделей, предложенной Леонидом Чернозатонским, продемонстрировали хорошее соответствие экспериментальным данным. Предполагалось, что данная структура будет обладать выдающейся прочностью и большим объемным модулем упругости – характеристикой, определяющей способность материала сопротивляться сжатию – в несколько раз превышающим показатели алмаза. Однако в релаксированном состоянии она не проявляет этих уникальных свойств.
Александр Квашнин: «Эту модель мы приняли в качестве отправной точки, опираясь на известный экспериментальный факт — при воздействии высокого давления (более 10 ГПа) и нагревании выше 1800 К, порошок фуллерена превращается в поликристаллический алмаз. Основываясь на этом наблюдении, была предложена комбинация двух факторов: использование фуллерита для получения сверхтвёрдого материала и одновременный переход фуллеренов в поликристаллический алмаз под действием давления».
Учёные пришли к выводу, что в процессе сжатия часть фуллерита трансформировалась в углерод, имеющий алмазоподобную структуру, в то время как другая часть сохранила свою первоначальную структуру, но оказалась в сжатом состоянии. В рамках созданной модели, структура сжатого фуллерита была помещена внутрь монокристалла алмаза, после чего были исследованы её свойства. Предлагаемая концепция заключается в том, что сжатый фуллерит, заключенный в алмазную оболочку, обладающую высокой механической прочностью, удерживается этой оболочкой, что обуславливает улучшение механических свойств всей композитной структуры. В процессе исследования было установлено, что увеличение размера фуллеритового кластера при неизменных размерах алмазной оболочки приводит к тому, что спектр рентгеновской дифракции материала становится более сопоставимым с экспериментальными данными, а его механические характеристики значительно превышают характеристики алмаза. На основании сравнения спектров было сделано предположение, что в ходе эксперимента образовалась аморфная углеродная среда, содержащая сжатый фуллерит.
Павел Сорокин, д.ф.-м.н., автор работы: «Мы считаем, что наша работа внесла вклад в решение вопроса об ультратвёрдом углероде. Созданная модель позволит понять особенности его уникальных свойств, содействует целенаправленному синтезу новых ультратвёрдых углеродных материалов и, вероятно, будет способствовать прогрессу этой многообещающей области науки».