Российские учёные выяснили, почему фуллерит твёрже алмаза

Фото: © Wiki/Jochen Gschnaller

При сжатии фуллерит образует композитный материал из алмазной оболочки и фуллеритовой начинки, причём таким композитом можно поцарапать алмаз.

Российские физики из МФТИ, Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН и других организаций смоделировали структуру нового материала на основе фуллерита и алмаза. Модель впервые с момента обнаружения фуллерита (19 лет назад) смогла объяснить, как этот материал приобретает сверхвысокую механическую жёсткость. Открытие позволяет прояснить потенциальные условия для получения ультратвёрдых материалов в будущем. Соответствующая статья опубликована в журнале Carbon.

Как выяснили в МФТИ, молекулы фуллерита внутри алмазной оболочки придают ей твёрдость, позволяющую царапать обычный алмаз

Фото: © МФТИ

В основу созданной авторами модели легло предположение, что при сжатии часть фуллерита перешла в алмазоподобный углерод, а часть осталась фуллеритом, но при этом оказалась в сжатом состоянии (разработчики модели называют его SH-состоянием). Фуллерит — это молекулярный кристалл, в узлах решётки которого находятся молекулы фуллерена. Каждая такая молекула — это сфера из 60 атомов углерода. В модели его структура, взятая за основу, в сжатом состоянии была помещена внутрь монокристаллического алмаза. Симулируя подъём давления, действующего на алмазно-фуллеритный композит, разработчики обнаружили, что в материале происходят необычные процессы.

Оказалось, что сжатый фуллерит удерживается алмазной оболочкой. Из-за предварительного сжатия дальнейшее уменьшение его размеров очень затруднено: он подпирает алмазные стенки, не давая им разрушаться при столкновении с внешними объектами. Это и приводит к повышенной механической прочности всей структуры.

С увеличением размера фуллеритового кластера при сохранении размеров алмазной оболочки спектр рентгеновской дифракции материала становился ближе к тому, что ранее наблюдали в экспериментах. Модель показывала, что при этом его механические характеристики значительно превосходили характеристики алмаза. В ранее проведённых экспериментах фуллериты под большим давлением успешно царапали алмаз. Из сравнения спектров рентгеновской дифракции следовало, что в эксперименте получилась аморфная углеродная среда (алмазная оболочка), в которой находился сжатый фуллерит.

Сам фуллерит был получен в Технологическом институте сверхтвёрдых и новых углеродных материалов ещё в 1998 году. Однако практическое использование материала сдерживалось неясностью его строения. Новая модель поможет понять природу его необычных свойств, а в будущем и направленно синтезировать новые ультратвёрдые углеродные материалы.

Источник