Forskare från Moscow Institute of Physics and Technology, Teknologiskt institut för superhårda och nya kolmaterial i Troitsk, MISiS, och MSU har utvecklat en ny metod för syntes av ett ultrahårt material som överstiger diamant i hårdhet. En artikel som nyligen publicerats i tidningen Kol beskriver i detalj en metod som möjliggör syntes av ultrahård fullerit, en polymer sammansatt av fullerener, eller sfäriska molekyler gjorda av kolatomer.

I deras arbete, forskarna konstaterar att diamant inte har varit det hårdaste materialet på ett tag nu. Naturliga diamanter har en hårdhet på nästan 150 GPa, men ultrahård fullerit har överträffat diamanten för att bli först på listan över hårdaste material med värden som sträcker sig från 150 till 300 GPa.

Alla material som är hårdare än diamant kallas ultrahårda material. Material som är mjukare än diamant men hårdare än bornitrid kallas superhårda. Bornitrid, med sitt kubiska gitter, är nästan tre gånger hårdare än den välkända korunden.

Fulleriter är material som består av fullerener. I sin tur, fullerener är kolmolekyler i form av sfärer som består av 60 atomer. Fullerene syntetiserades första gången för mer än 20 år sedan, och ett Nobelpris delades ut för det arbetet. Kolsfärerna inom fulleriten kan ordnas på olika sätt, och materialets hårdhet beror till stor del på hur sammanlänkade de är. I den ultrahårda fulliten som upptäckts av arbetarna vid Technological Institut för Superhard och nya kolmaterial (FSBITISNCM), C ₆₀ molekyler är sammankopplade med kovalenta bindningar i alla riktningar, en materialforskare kallar en tredimensionell polymer.

Dock, metoderna för tillverkning av detta lovande material i industriell skala är ännu inte tillgängliga. Praktiskt taget, den superhårda kolformen är av primärt intresse för specialister inom metaller och annan materialbearbetning:ju svårare ett verktyg är, ju längre det fungerar, och desto mer kvalitativt kan detaljerna bearbetas.

Det som gör syntetisering av fullerit i stora mängder så svårt är det höga tryck som krävs för att reaktionen ska börja. Bildandet av den tredimensionella polymeren börjar vid ett tryck på 13 GPa, eller 130, 000 atm. Men modern utrustning kan inte ge ett sådant tryck i stor skala.

Forskarna i den aktuella studien har visat att tillsats av koldisulfid (CS ₂ ) till den initiala blandningen av reagenser kan påskynda fulleritesyntesen. Detta ämne syntetiseras i industriell skala, används aktivt i olika företag, och teknikerna för att arbeta med det är välutvecklade. Enligt experiment, koldisulfid är en slutprodukt, men här fungerar det som en accelerator. Använda CS ₂ , bildandet av det värdefulla superhårda materialet blir möjligt även om trycket är lägre och uppgår till 8GPa. Dessutom, medan tidigare försök att syntetisera fullerit vid ett tryck på 13 GPa krävde uppvärmning upp till 1100K (mer än 820 grader Celsius), i förevarande fall sker det vid rumstemperatur.

"Upptäckten som beskrivs i denna artikel (den katalytiska syntesen av ultrahård fullerit) kommer att skapa ett nytt forskningsområde inom materialvetenskap eftersom det avsevärt minskar det tryck som krävs för syntes och möjliggör tillverkning av materialet och dess derivat i industriell skala", förklarade Mikhail Popov, forskningens ledande författare och chef för laboratoriet för funktionella nanomaterial vid FSBI TISNCM.