Самый твердый синтетический алмаз в мире
Исследователи из Китая получили синтетический алмаз, который тверже своего природного аналога, а также может выдерживать более высокие температуры. Исследователи уверены, что новая форма алмаза может применяться для изготовления суперрежущих поверхностей или инструментов, которые смогут работать при очень жестких условиях.
Йоюнь Тянь (Yongjun Tian) и его коллеги получили алмаз, нагревая «углеродные луковицы» (carbon onions) – концентрические сферические фуллерены, инкапсулированные друг в друга, при температуре 2000°C и давлении 25 ГПа. Твердость получившегося в результате алмаза составляет около 200 ГПа, и он сохраняет устойчивость до температур, около 1000°C, что примерно на 200°C выше, чем термическая устойчивость обычного алмаза.
Ультратвердые алмазы были получены из углеродных луковиц, подобных этой, состоящей из десяти слоев. (Рисунок из Nature, 2014, DOI: 10.1038/nature13381)
Тянь заявляет, что исследователи десятилетиями мечтали о синтезе новых материалов, проявляющих твердость большую, чем твердость природного алмаза. Обычный подход заключался в получении все меньших и меньших зерен, сохраняющих микроструктуру алмаза.
При этом границы раздела между зернами действуют как внешняя поддержка, упрочняющая материала. Алмазы, содержащие зерна с диаметром в десятые доли нанометра, были получены за счет нагревания графита при высоких температурах.
Однако суперспособности алмазов, полученных в группе Тяня, обуславливаются ультратонкими структурами в зернах – наноблизнецами (nanotwins) – крошечными кристаллическими сегментами, являющихся отражением друг друга в границах раздела. Наноблизнецы не только способствуют увеличению жёсткости, но дают материалу устойчивость к сжатию, что делает алмаз устойчивее к окислению, позволяя ему выдерживать действие более высоких температур.
Суперспособности новых алмазов обуславливаются наличием ультратонких структур в зернах – наноблизнецов. (Рисунок из Nature, 2014, DOI: 10.1038/nature13381)
Ранее уже предпринимались попытки синтеза алмазов из наноблизнецов, однако все эти попытки были безуспешны. Исследователи из группы Тяня совершили прорыв, взяв в качестве исходных веществ углеродные луковицы.
Как поясняет китайский исследователь, для образования структур-наноблизнецов должны выполняться два условия – высокая степень нуклеации и низкая скорость роста. Прекурсоры – углеродные луковицы, применявшиеся в этом исследовании, содержат идеальные центры нуклеации для образования алмаза, а также обеспечивают нужную скорость образования нуклеатов.
Исключительная твердость и термическая стабильность новой формы алмаза может сделать его идеальным материалом для изготовления промышленных или научных инструментов (например, алмазных наковален), которые могут работать даже при очень высоких температурах. Тянь и коллеги в настоящее время работают над понижением давления, необходимого для получения супералмаза, используя углеродные луковицы с более однородной структурой.
Исследователи надеются, что им удастся подобрать условия, которые позволят получать сверхтвердые супералмазы в промышленных объемах.
Источник: Nature
