Ученые из США и Китая разработали новый вид углерода, характеризующийся смешанной гибридизацией.
Современное материаловедение уделяет большое внимание созданию материалов, сочетающих высокую прочность и малый вес, что особенно актуально для изготовления защитных военных конструкций, таких как бронежилеты и обшивка. В настоящее время для этих целей обычно применяют металлы и высокотехнологичную керамику, характеризующиеся пределом текучести в два гигапаскаля и пределом прочности – в девять. Однако, эти материалы имеют значительный вес. В качестве альтернативы изучаются производные углерода, поскольку разнообразие их модификаций позволяет варьировать такие характеристики, как эластичность, твердость и масса.
Различные аллотропные модификации углерода возникают благодаря гибридизации атомных орбиталей (s, p, d, f) центрального атома в молекуле. Этот процесс смешивания орбиталей определяет пространственное расположение и характеристики ковалентных связей, а также, соответственно, свойства материала. Например, к формам углерода с sp 2-гибридизацией подразумевают гибкие углеродные нанотрубки и графен, относящиеся к sp 3-гибридизацией — твердые алмаз и лонсдейлит. В рамках новой работы ученые из Яньшаньского университета и других организаций продемонстрировали результат объединения различных состояний гибридизации. Для этого они применили стеклоуглерод — твердый материал, обладающий sp 2-гибридизированных орбиталей, формирующих неупорядоченно расположенные шестиугольники.
Для изменения кристаллической структуры образцы стеклоуглерода нагревали до 1100 градусов Цельсия и оказывали на них давление до 25 гигапаскаль (около 247 тысяч атмосфер). Дальнейший анализ выявил, что при определенных условиях материал приобретал структуру, схожую с графенoм, причем некоторые орбитали в ней имели sp 3-гибридизацию. Число таких атомов составляло 22±5 и увеличивалось с ростом температуры. С помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на небольших масштабах удавалось наблюдать sp 3-эти области гибридизированы и «сшивают» листы графена. Однако на уровне всего образца структура оставалась беспорядочной.
Авторы отмечают, что полученный материал характеризуется высокой эластичностью, твердостью при вдавливании и прочностью при сжатии, а также способен восстанавливать свою структуру после локальных деформаций. Благодаря небольшому весу и толщине, это открывает широкие возможности для его использования. Тем не менее, ранее другая группа исследователей представила технологию модулирования смачиваемости графеноподобных структур. Изучение смачиваемости и поиск способов ее модуляции важны для многих отраслей, в том числе промышленности и медицины. Наименее воспроизводимым остается «переключение» показателя в одном материале.
Статья опубликована в журнале Science Advances.
Несмотря на значимость исследований, посвященных модификации углерода, ученые также работают над другими направлениями. Например, весной 2017 года химики открыли новую, седьмую степень окисления плутония, а также впервые коснулись атомов водорода с помощью модифицированного атомно-силового микроскопа.