Ученые приблизились к промышленному синтезу материала тверже алмаза

Исследователи из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов в Троицке, МФТИ, МИСиС и МГУ разработали новый метод синтеза ультратвердого материала, который превосходит алмаз по твердости. Детальное описание способа, позволяющего синтезировать ультратвердый фуллерит — полимер на основе фуллеренов, молекул в виде сфер из атомов углерода, — приводится в журнале Carbon.

Фотография индентора Виккерса, изготовленного из ультратвердого фуллерита. Фото предоставлено Михаилом Поповым.

В своей работе ученые отмечают, что алмаз уже давно не является самым твердым материалом. Натуральные алмазы имеют твердость около 150 гигапаскалей — сейчас первое место в перечне самых твердых материалов занимает ультратвердый фуллерит с показателем твердости от 150 до 300 ГПа.

Ультратвердыми материалами называют все, что тверже алмаза; материалы мягче алмаза, но тверже нитрида бора обозначают как сверхтвердые: нитрид бора с кубической решеткой почти втрое тверже хорошо известного корунда.

Фуллериты — это материалы, состоящие из фуллеренов. Фуллеренами, в свою очередь, называют молекулы углерода в виде сфер, образованных 60 атомами; фуллерен синтезирован более двадцати лет назад, и за его открытие вручена Нобелевская премия. Углеродные сферы в составе фуллерита могут быть по-разному упакованы, и твердость материала очень сильно зависит от того, как именно они связаны между собой. В открытом сотрудниками Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов (ФГБНУ ТИСНУМ) ультратвердом фуллерите молекулы С60 связаны друг с другом ковалентными связями во всех направлениях — этот материал ученые называют трехмерным полимером.

Однако методов, позволяющих получать это перспективное вещество в промышленных масштабах, пока не существует. С практической точки зрения сверхтвердая форма углерода интересна в первую очередь специалистам по обработке металлов и других материалов: чем тверже режущий инструмент, тем дольше он служит и тем качественнее можно обрабатывать детали.

(схематическое изображение молекулы фуллерена, C₆₀)

Невозможность синтеза фуллерита в больших количествах обусловлена очень высоким давлением, которое необходимо создать для начала реакции. Образование трехмерного полимера начинается при давлениях от 13 ГПа или 130 тысяч атмосфер — а создать такое давление в большом объеме современная техника не позволяет.

(Алмазные наковальни, деформированные при синтезе ультратвердого фуллерита, обратите внимание на вмятину в центре)

Ученые показали, что добавление к исходной смеси реагентов сероугерода, CS₂, играет роль катализатора в синтезе фуллерита. Это вещество синтезируется в промышленных масштабах, активно используется на различных предприятиях, а технологии работы с ним хорошо отработаны. Сероуглерод, как показали эксперименты,  конечный продукт, но выступает в роли катализатора. а счет него образование ценного сверхтвердого материала становится возможным при меньшем давлении — 8 ГПа, причем при комнатной температуре, в то время как предыдущие попытки синтезировать фуллерит при 13 ГПа требовали нагрева до 1100К (свыше 820 градусов Цельсия).

«Открытие, описанное в статье (каталитический синтез ультратвердого фуллерита) создает новое направление в области материалов, поскольку существенно снижает давление синтеза и позволяет промышленно производить этот материал и его производные», — пояснил ведущий автор исследования, заведующий лабораторией функциональных наноматериалов в ФГБНУ ТИСНУМ Михаил Юрьевич Попов.

P.S. Подробнее ультратвердый фуллерит описан в следующих научных публикациях:

1. Is C 60 fullerite harder than diamond? V.Blank, M.Popov, S.Buga, V.Davydov, V.N. Denisov, A.N. Ivlev, B.N. Mavrin, V.Agafonov, R.Ceolin, H.Szwarc, A.Rassat. Physics Letters A Vol.188 (1994) P 281-286.
2. Structures and physical properties of superhard and ultrahard 3D polymerized fullerites created from solid C60 by high pressure high temperature treatment. V.D. Blank, S.G. Buga, N.R. Serebryanaya, G.A. Dubitsky, B. Mavrin, M.Yu. Popov, R.H. Bagramov, V.M. Prokhorov, S.A. Sulynov, B.A. Kulnitskiy and Ye.V.  Tatyanin. Carbon, V.36, P 665-670 (1998)
3. Ultrahard and superhard phases of fullerite C60 : comparison with diamond on hardness and wear. V.Blank, M.Popov, G.Pivovarov, N.Lvova, K.Gogolinsky, V.Reshetov. Diamond and Related Materials. Vol. 7, No 2-5 (1998), P 427-431

P.P.S. Пресс-служба МФТИ благодарит исследователя за неоценимую помощь в подготовке материала. Если вы также работаете в МФТИ и недавно опубликовали интересную научную статью — свяжитесь с нами по почте press@mipt.ru.