Как фуллерит становится твёрже алмаза

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 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, 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».

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, вэксперименте 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».