Hvordan fullerite bliver hårdere end diamant

Fysikere har simuleret strukturen af ​​et nyt materiale baseret på fullerit og enkeltkrystal diamant for at vise, hvordan dette materiale kan opnå ultrahøj hårdhed. Denne opdagelse giver potentielle betingelser for at opnå ultrahårde materialer. Resultaterne blev offentliggjort i Kulstof .

Fullerite er en molekylær krystal med fullerenmolekyler ved dens gitterknuder. Fulleren er et sfærisk molekyle af kulstofatomer. Det blev først syntetiseret for over 30 år siden, og dens opdagelse blev belønnet med Nobelprisen. Kulstofkugler i fullerit kan pakkes på forskellige måder, og materialets hårdhed afhænger stærkt af, hvordan fullerenerne er forbundet med hinanden. Et hold russiske videnskabsmænd har nu forklaret, hvorfor fullerite bliver et ultrahårdt materiale.

Alexander Kvashnin, kandidat til fysik og matematik, hovedforfatteren, sagde, "Da vi begyndte at diskutere denne idé, Jeg arbejdede hos TISNCM. der, i 1998, en gruppe videnskabsmænd ledet af Vladimir D. Blank opnåede et nyt materiale baseret på fullerener - ultrahård fullerit, eller 'tisnumit.' Ifølge målingerne, dette nye materiale kunne ridse diamanter – det var, faktisk, hårdere end diamant."

Stoffet var ikke et-krystal materiale; det indeholdt amorft kulstof og 3-D-polymeriserede molekyler af C60. Stadig, dens krystalstruktur er endnu ikke helt forstået. Fulleren-molekylet har fremragende mekanisk stivhed. På samme tid, fulleritkrystallen er et blødt materiale under normale forhold, men bliver hårdere end diamant under tryk (på grund af 3-D polymerisationen). Selvom dette materiale er blevet syntetiseret og studeret i mere end 20 år nu, årsagen til, at det bliver ultrahårdt, er stadig ukendt. Der er en række modeller, der er blevet udviklet til at forklare, hvordan fullerener kan polymeriseres til fullerit.

En af modellerne blev foreslået af prof. Leonid A. Chernozatonskii. Modellens røntgendiffraktionsmønster stemmer helt overens med eksperimentelle data, og skal have et højt volumetrisk bulkmodul, flere gange højere end diamantværdien. Men modellens afslappede struktur viser ikke så fascinerende egenskaber.

Alexander Kvashnin sagde, "Vi baserede vores analyse på den model og det eksperimentelt kendte faktum, at hvis du anvender mere end 10 GPa tryk på fullerenpulver og opvarmer det over 1800 K, får du en polykrystallinsk diamant. Tanken var at kombinere disse to fakta. På den ene side, et superhårdt fulleritmateriale, og på den anden side, under pres, fullerener bliver til en polykrystallinsk diamant."

Forskerne foreslog, at under pres, en del af fulleritten blev til diamant, mens den anden del forblev som fullerit i en komprimeret tilstand i diamanten. For at forenkle modellen, den fulleritkrystalstruktur, der blev foreslået af prof. Chernozatonskii, blev placeret inde i en enkelt krystaldiamant. Forskerne studerede derefter dette kompositmateriale. Tanken var, at fullerit inde i diamant skulle komprimeres. Det er kendt, at i komprimeret tilstand, materialets elastiske og mekaniske egenskaber øges. Og diamant ville fungere som en skal, holde den komprimerede fullerit inde for at bevare alle disse egenskaber. I undersøgelsen, de analyserede først små modeller indeholdende 2,5 nm fulleritkorn inde i den 1 nm tykke diamantskal. Imidlertid, sådan en lille model var ikke i overensstemmelse med de eksperimentelle data. Så begyndte forskerne at modellere kompositterne, hvor størrelsen af ​​fullerit blev øget op til 15,8 nm, og tykkelsen af ​​diamantskallen forblev den samme. Ændringerne i røntgendiffraktionsspektret viste, at stigningen i fulleritstørrelsen bragte spektret tættere på de eksperimentelle data. Efter at have sammenlignet spektrene, det blev antaget, at højst sandsynligt i eksperimentet, de havde opnået et amorft kulstofmedium med en hydrostatisk komprimeret fullerit indeni, mens modellen omhandlede en diamant med fullerit indeni. Ifølge det beregnede spektrum, den nye model korrelerede meget godt med de eksperimentelle data.

"Den udviklede model vil hjælpe os med at forstå karakteren af ​​dens unikke egenskaber og systematisk syntetisere de nye ultrahårde kulstofmaterialer, samt at bidrage til den videre udvikling af dette lovende videnskabsområde, " sagde Pavel Sorokin, leder af projektet (TISNCM, MISIS, MIPT).

Fullerite i sig selv er ikke særlig hårdt; dens bulkmodul er 1,5 gange mindre end diamants. Men når det er komprimeret, dens bulkmodul øges dramatisk. For at bevare dette forbedrede bulkmodul, Fulleritten bør altid forblive i en sådan komprimeret tilstand. Ved at bruge resultaterne af simuleringer, forskerne kan udføre målrettede eksperimenter for at opnå et ultrahårdt materiale.