Fysiker har simulerat strukturen av ett nytt material baserat på fullerit och enkristall diamant för att visa hur detta material kan uppnå ultrahög hårdhet. Denna upptäckt erbjuder potentiella förutsättningar för att erhålla ultrahårda material. Resultaten publicerades i Kol .

Fullerite är en molekylär kristall med fullerenmolekyler vid dess gitternoder. Fulleren är en sfärisk molekyl av kolatomer. Det syntetiserades första gången för över 30 år sedan, och dess upptäckt belönades med Nobelpriset. Kolsfärer i fullerit kan packas på olika sätt, och materialets hårdhet beror starkt på hur fullerenerna är anslutna till varandra. Ett team av ryska forskare har nu förklarat varför fullerite blir ett extremt hårt material.

Alexander Kvashnin, Kandidat för fysik och matematik, huvudförfattaren, sa, "När vi började diskutera denna idé, Jag arbetade på TISNCM. Där, 1998, en grupp forskare under ledning av Vladimir D. Blank erhöll ett nytt material baserat på fullerener - ultrahård fullerit, eller 'tisnumit'. Enligt mätningarna, detta nya material kunde repa diamant - det var, faktiskt, hårdare än diamant. "

Ämnet var inte enkristalliskt material; den innehöll amorft kol och 3-D-polymeriserade molekyler av C60. Fortfarande, dess kristallstruktur är ännu inte helt förstådd. Fullerenmolekylen har utmärkt mekanisk styvhet. På samma gång, fulleritkristallen är ett mjukt material under normala förhållanden, men blir hårdare än diamant under tryck (på grund av 3D-polymerisationen). Även om detta material har syntetiserats och studerats i mer än 20 år nu, anledningen till att det blir ultrahårt är fortfarande okänt. Det finns ett antal modeller som har utvecklats för att förklara hur fullerener kan polymeriseras till fullerit.

En av modellerna föreslogs av prof. Leonid A. Chernozatonskii. Modellens röntgendiffraktionsmönster stämmer helt överens med experimentella data, och bör ha en hög volymetrisk bulkmodul, flera gånger högre än diamantvärdet. Men modellens avslappnade struktur uppvisar inte så fascinerande egenskaper.

Alexander Kvashnin sa:"Vi baserade vår analys på den modellen och det experimentellt kända faktumet att om du applicerar mer än 10 GPa tryck på fullerenpulver och värmer det över 1800 K, du får en polykristallin diamant. Tanken var att kombinera dessa två fakta. Å ena sidan, ett superhårt fullite-material, och å andra sidan, under press, fullerener förvandlas till en polykristallin diamant. "

Forskarna föreslog att under press, en del av fulleriten förvandlades till diamant, medan den andra delen förblev som fullerit i ett komprimerat tillstånd i diamanten. För att förenkla modellen, den fulleritkristallstruktur som föreslogs av professor Chernozatonskii placerades inuti en enda kristalldiamant. Forskarna studerade sedan detta kompositmaterial. Tanken var att fullerite inuti diamant skulle komprimeras. Det är känt att i komprimerat tillstånd, materialets elastiska och mekaniska egenskaper ökar. Och diamant skulle fungera som ett skal, hålla den komprimerade fulleriten inne för att bevara alla dessa egenskaper. I studien, de analyserade först små modeller som innehöll 2,5 nm fulleritkorn inuti det 1 nm tjocka diamantskalet. Dock, en sådan liten modell överensstämde inte med experimentella data. Därefter började forskarna modellera kompositerna, där storleken på fulleriten ökades upp till 15,8 nm, och tjockleken på diamantskal förblev densamma. Förändringarna i röntgendiffraktionsspektrumet visade att ökningen av fulleritstorleken förde spektrumet närmare experimentdata. Efter att ha jämfört spektra, man antog att sannolikt i experimentet, de hade fått ett amorft kolmedium med en hydrostatiskt komprimerad fullerit inuti, medan modellen handlade om en diamant med fullerite inuti. Enligt det beräknade spektrumet, den nya modellen korrelerade mycket bra med experimentella data.

"Den utvecklade modellen hjälper oss att förstå arten av dess unika egenskaper och att systematiskt syntetisera de nya ultrahårda kolmaterialen, samt att bidra till den fortsatta utvecklingen av detta lovande vetenskapsområde, "sa Pavel Sorokin, projektledare (TISNCM, MISIS, MIPT).

Fullerite i sig är inte särskilt svårt; dess bulkmodul är 1,5 gånger mindre än diamantens. Men när den är komprimerad, dess bulkmodul ökar dramatiskt. För att bevara denna förbättrade bulkmodul, fulleriten bör alltid förbli i ett sådant komprimerat tillstånd. Med hjälp av resultaten från simuleringar, forskarna kan genomföra riktade experiment för att få fram ett extremt hårt material.