Самый твердый, наименее эластичный и самый проводящий аморфный материал ! Это рекорд нового адамантинового стекла (или алмазоподобного углерода), синтезированного группой китайских исследователей и опубликованного 24 ноября в журнале Nature. Этот материал был получен из сфер фуллерена (химическая формула C60), молекулы, по форме напоминающей футбольный мяч. При воздействии экстремальных условий давления и температуры - 900-1000 °C при давлении 27 ГПа - т.е. давлении, преобладающем на глубине 750 км под нашими ногами - фуллереновые сферы разрушаются и образуют аморфный углеродный материал размером в миллиметр со свойствами, аналогичными алмазу.
Как получить стекло с алмазоподобной твердостью и упругостью? Нет ничего проще, утверждает группа китайских исследователей, результаты работы которой опубликованы 24 ноября в журнале . В прессе с несколькими наковальнями, любимом орудии пыток геологов против полезных ископаемых, подвергайте углеродные футбольные мячи диаметром 0,7 Нм воздействию высокой температуры (1000 °C, что не так страшно в геологическом мире) и ужасного давления! За этим простым рецептом скрывается настоящий технический вызов: футбольные мячи - это фуллерены, формула C60, подвергнутые давлению, которое преобладает в 750 км под нашими ногами.
Использование углерода в гонке за самый твердый искусственный аморфный материал основано на способности атома углерода образовывать чрезвычайно стабильные структуры. Например, самым твердым из известных минералов (10 единиц по шкале Мооса) является алмаз - особо организованная форма кристаллизованного углерода, который обладает высокой жесткостью благодаря тому, что его атомы связаны трехмерными связями. Углерод может быть менее организованным и гораздо более хрупким, как в графите, где связи между атомами двумерные, что приводит к слоистой структуре (от 1 до 2 по шкале Мооса, т.е. чрезвычайно хрупкий минерал).
Если трехмерная структура атомов углерода означает большую твердость, почему исследователи так стремятся разрушить углеродные сферы фуллеренов? Давление более 20 ГПа (давление на глубине 540 км) позволяет фуллереновым сферам разрушаться, после чего атомы углерода выстраиваются в структуру, напоминающую алмаз. Это так называемый аморфный материал, в котором атомы углерода расположены упорядоченно на коротких и средних расстояниях, но неупорядоченно на больших расстояниях. В случае разрушающихся фуллереновых сфер эти аморфные материалы, известные как адамантиновые стекла, обладают некоторыми свойствами ближайшего кристалла - алмаза.
Что особенного в новом, пока еще безымянном соединении? Оно ближе к алмазу, чем любое другое аморфное соединение до него, благодаря связям между атомами, структурно близким к тем, которые имеются в алмазе. И оно было произведено в объемах в 1000-10 000 раз больших, чем в предыдущих попытках!
Хотя это означает, что пока это только кусочки миллиметрового размера, это реальный знак надежды. "Хитрость заключалась в том, чтобы найти подходящий материал для обработки под очень высоким давлением. Создание этого стекла с превосходными свойствами открывает двери для новых применений, поскольку мы смогли синтезировать крупные кристаллы при низких температурах", — заключает Йингвей Фей, один из исследователей, участвовавших в публикации.