Кристалл, который может раздавить алмаз: в поисках твердого материала

В центре нашей планеты породы весом в миллиарды тонн, чтобы создать силу, которая в три миллиона раз превышает атмосферное давление на поверхности. Однако на столешнице моей скромной лаборатории в северной Баварии физического Наталья Дубровинская может преодолеть даже это безумное давление несколько раз, благодаря устройству, который помещается в руке.

Более точные повороты винта в верхней части небольшого цилиндра, и он может создать давление, в три раза давление в ядре Земли. Удивительно, но вместе с коллегами из Университета Байройт обнаружили удивительный материал, способный противостоять этой феноменальной силы. Настолько твердый, что может оставить зуб в кристалл алмаза, который долгое время считался самым твердым материалом в мире.

Новое вещество — является кульминацией десятилетия исследований современных алхимиков, ученых, которые химичили и возился с химическая структура вещества, пытаясь адаптировать и изменять их свойства в нужном. Это путешествие, в котором было много фальстартов и тупиков. Но последние результаты ученых могут иметь широкие последствия, от нововведений в медицине, прежде чем изменить наше понимание дальних миров.

Любовь человечества к сплошной материал датируется первый день нашего вида, когда наши предки начали использовать полудрагоценные камни, чтобы оборудовать еще более мягкие камни, делая из них ножи. Постепенно заменяется все более и более твердые металлы, примерно до 2000 года не произвели первую сталь. Она осталась более крепко знал материал до 18-го века, и тогда ученые обнаружили, что они могут покрывать инструменты бриллиантами.

Несмотря на очевидную привлекательность для ювелирных изделий, большинство из обработанных алмазов используется для создания сверхтвердых покрытий износостойких инструментов и сверл. В горнодобывающей и нефтяной промышленности в качестве алмазного инструмента просто необходимо — без них, войти через сотни метров горных пород до ценных ресурсов в глубине Земли, было бы крайне трудно, если не невозможно.

«Твердое покрытие необходимо для всех типов приложений, начиная от скорости резания инструментов, в открытом море бурения, добычи нефти и газа и заканчивая биомедицинского применения», — говорит Ягдиш Нараян, главный материаловед из Университета Северной Каролины.

Чтобы понять, что делает твердый материал, необходимо взглянуть на атомную структуру ее кристаллов.

Алмазы образуются из тех же атомов углерода, которые составляют графит мягкий — его можно найти в сердцевинке любой форме карандаша. Разница между этими двумя формами углерода является расположение атомов. Графит состоит из листов из атомов углерода плоские шестиугольники, которые обязаны слабых сил притяжения между каждым слоем.

В алмазе же атомы углерода удерживаются в форме тетраэдра, который является чрезвычайно жестким. В сочетании с тем, что углерод образует прочную связь, и создает твердость алмаза.

Слово «алмаз», «адамант», «алмаз», «алмаз» происходит от греческого «adamas», что означает непобедимый. Правда, это достаточно высокое давление ломается и алмаз. Маленькие слабинки в кристалл также могут ослабить его, что делает алмаз уязвимы к поломке.

И это создает для ученых вопрос: как изучение поведения материалов высокого давления, если даже самый твердый в природе материал может рухнуть? Нужно найти что-то более сильное.

Ложные надежды

Вряд ли вас удивит, что поиск сверхтвердого материала начинается с попытки воспроизвести структуру алмаза, но, по правде говоря, существует не так много элементов, способных общаться между собой таким же образом.

Один из этих материалов — нитрид бора. Как углерод, синтетический материал происходит в различных формах, но вы можете повторить структуру алмаза, замена атомов углерода атомами азота и бора. Впервые основана в 1957 году «кубический нитрид бора» является достаточно твердым, чтобы оцарапать алмаз — как заявлено изначально. Но последующие испытания показали, что этот материал даже в половину не такой же твердый, как и его аналог на основе углерода.

В ближайшие десятилетия породили ряд разочарований, когда ученые начали искать способы, чтобы связать этих трех элементов — азота, бора и углерода в различных формах. Тонкие пленки из этих материалов, которые были созданы в 1972 году, в состоянии создать форму, которая имитирует структуру алмаза; но из недостатков, что процесс включал в себя сложный химический и очень высоких температур для производства. И только в 2001 году алмазоподобный нитрид бора был создан учеными Национальной академии наук Украины в Киеве, в сотрудничестве с коллегами из Франции и Германии. И даже если этот новообнаруженный материал был тверже кристаллов кубического нитрида бора, еще наткнулся на бриллиант.

Тогда, семь лет назад, Changfeng Чен, физик в Университете Невады, и его коллеги из Шанхайского университета Цзяо Тун в Китае решили, что смогут свергнуть алмаз с постамента. Они подсчитали, что, причудливая форма шестиугольная нитрид бора, известной как вюрцит нитрида бора, не в состоянии выдержать 18% больше давления, чем алмаз. Этот редкий материал был похож на бриллиант, и куб нитриду бора четырехгранную структуру, только ассоциации формируются из разных углов. Компьютерное моделирование поведения этого материала под давлением показали, что некоторые из этих отношений являются гибкими и повторно направить себя на 90 градусов, находятся в состоянии напряжения, чтобы снять его.

Даже если связь алмаза точно так же реагировать на давление, вюрцит нитрида бора становится на 80% прочнее при более высоком давлении. Проблема в том, что это довольно опасно для создания — для этого необходимо искусственно создавать взрывы, которые имитируют условия высокой температуры и давления взрыва вулкана. Конечно, получить их в достаточном количестве будет очень сложно. Подобные проблемы ограничивают потенциал системы, как вещество, известное как лонсдейлит, который должен быть в состоянии выдержать на 58% больше давления, чем обычный кристаллов алмаза.

И только в последние годы мы начали наблюдать некоторые нововведения. В 2015 году Джагдиш Нараян и его коллеги из University of North Carolina часовой некристаллическую форму углерода (стекло-углерод), быстро, импульс, лазер, отопление до 3700 градусов Цельсия, после чего быстро охлаждают. Это охлаждение, или исчезновения, привели к созданию Q-углерод, странно, но чрезвычайно твердой аморфной формы углерода. В отличие от других форм углерода, это магнитная и светится при воздействии света.

Структура этого материала по большей части представлена связей алмазного типа, но также имеет от 10 до 15 процентов, сообщает графитного типа. Тесты показали, что Q-углерод может быть как минимум на 60% тверже алмаза, но это еще предстоит утвердить окончательно. Настоящим испытанием на твердость, требующие сравнения образцов с наконечником, который является более жесткий материал испытания. Попытка провести через образец Q-углерода две острые наконечники, есть проблема: сверла алмазные деформируются.

И здесь, что может быть полезно сверхтвердых наковальня Дубровинской. Его новый материал-это уникальная форма углерода, известный как нанокристаллы алмаза шарики, и, вместо того чтобы состоять из одной кристаллической решетке атомов углерода, состоит из множества мельчайших отдельных кристаллов, каждый из которых в 11 000 раз меньше толщины человеческого волоса — соединены в один слой графена, не менее удивительный материал, один атом углерода толщиной.

Если кристалл алмаза начинает разрушаться при давлении 120 Гпа, новый материал способен выдержать не менее 460 Гпа. Вы также можете выжить компрессионные для создания давления до 1000 Гпа. Эти маленькие шарики тверже, чем любой другой известный вещество на планете. Чтобы чувствовать свою силу, представьте себе 3000 взрослых африканских слонов, балансируя на шпильках. «Это самый твердый из всех известных сверхтвердых материалов», — говорит Дубровинская.

Нанокристаллы алмаза шарики, также прозрачный, что позволяет им выступать в роли небольшой объектив, через который исследователи могут заглянуть раздавливаемый материал, с помощью рентгеновских лучей. «Это позволяет нам сохранить материал испытания и наблюдать то, что происходит, — говорит Дубровинская. — Достижение сверхвысокого давления открывает новые горизонты для более глубокого понимания предмета».

Дубровинская и ее коллеги уже применяется для изучения осмия, металла, что является одним из самых устойчивых на сжатие во всем мире. Они обнаружили, что ос может выдержать сжатие с давлением более 750 Гпа. В этот момент внутренние электроны, которые, как правило, тесно связаны с ядром атома металла и являются очень стабильными, начинают взаимодействовать между собой. Ученые считают, что это странное поведение может привести к переходу твердого металла, ранее неизвестное состояние материи. Было бы очень интересно изучить свойства ос, когда это берет на себя.

Сверхтвердых наноалмазы просто позволяют создавать новые режущие кромки для проволоки, металла и камня. В виде порошка, как наноалмазы находят применение в косметической промышленности, так как обладают высокой впитывающей способностью. Также легко впитывается в кожу, неся с собой активные вещества. Медицинская промышленность начинает изучать способы использования наноалмазов для передачи лекарства, например, в процессе химиотерапии в труднодоступных областях тела. Исследования также показали, что наноалмазы могут способствовать росту костей и хрящей.

Что самое любопытное, это последняя работа может помочь нам раскрыть некоторые секреты нашей Солнечной системы. В следующем месяце состоится международная конференция, на которой эксперты обсудят новые возможности. Если в центре Земли давление, как полагают, это 360 Гпа, в ядре газового гиганта Юпитера давление может достигать невероятных Гпа 4500.

Под таким давлением элементы начинают вести себя странно. Водорода в нормальном состоянии газ — начинает вести себя как металл, например, и становится способным проводить электричество. Дубровинская и Дубровинский надеются, что их сверхтвердые алмазы могут помочь нам воссоздать эти космические условия. «Мы могли бы моделировать грудь гигантских планет или внеземных суперземель за пределами нашей Солнечной системы. Я думаю, что еще более удивительно-это то, что мы можем сделать, это с помощью чего-то, что мы можем держать в руках».

Кристалл, который может раздавить алмаз: в поисках твердого материала
Илья Хель

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Обсуждение закрыто.