В 2023 году российские физики первыми в мире смогли детально описать ультратвердый фуллерит — материал, который превосходит по прочности даже алмазы. Рассказываем, как им это удалось.
Ученые из МФТИ и Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов провели исследование структуры ультратвердого фуллерита, который обладает механическими свойствами, превосходящими даже алмаз. Оказалось, что материал состоит из небольших групп атомов, или кластеров, которые имеют отличные механические свойства. Работа ученых была опубликована в научном журнале «Carbon» в 2023 году.
Углерод может образовывать различные формы, такие как графит и алмаз, а также более сложные структуры, например, нанотрубки и фуллерены. Если на эти материалы оказывать большое давление, они могут менять структуру и получать новые полезные свойства. Например, смесь фуллеренов, которые представляют объемные шарообразные модификации из 60 и более атомов углерода, сжимают при давлениях в несколько сотен тысяч атмосфер. Молекулы фуллеренов деформируются и связываются друг с другом в группы — нанокластеры. Так получаются фуллериты — аморфные материалы, по прочности сравнимые с алмазами. Структура фуллеритов до сих пор не изучена до конца.
Группа ученых исследовала аморфные материалы, используя спектроскопию комбинационного рассеяния света, и показала, что можно получить информацию о каждом кластере фуллерита, его твердости и сравнить его характеристики с наноалмазом.
Метод спектроскопии комбинационного рассеяния света использует лазер для освещения исследуемого материала. Когда свет взаимодействует с атомами материала, он вызывает колебания или другие возбуждения. Затем свет переизлучается веществом на другой длине волны. Различие между исходной и переизлученной длинами волн отображается на спектре, и по этой разнице можно получить информацию о структуре и колебательных свойствах материала.
В ходе исследования физики осветили ультратвердый фуллерит светом с различными длинами волн от 257 до 1064 нанометров. В процессе облучения положение пика на спектре смещалось в зависимости от длины волны света. Ученые объяснили этот эффект тем, что каждая длина волны активизирует разные нанокластеры внутри фуллерита. Однако при облучении светом длиной волны 1064 нанометра произошел резонанс — на спектре появились множество пиков, соответствующих каждому нанокластеру. Такое ученые видели впервые.
Затем исследователи сравнили спектры ультратвердого фуллерита и смеси нанометровых алмазов, в которых атомы углерода соединяются между собой так же — sp3-связями. Результаты сошлись. Следовательно, именно наличие разных нанокластеров с преимущественным sp3-связыванием определяет спектр этих углеродных материалов вне зависимости от способа получения и типов кластеров в структуре.
Каждый кластер в ультратвердом фуллерите, так же как и в наноалмазах, обладает уникальными механическими характеристиками. Это объясняется различными размерами, формами кластеров и особенностями ковалентных связей внутри них. По словам ученых, каждый кластер внутри материала можно отдельно почувствовать и изучить.
