Физики из МФТИ и Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов с коллегами исследовали структуру ультратвердого фуллерита, по механическим свойствам превосходящего даже алмаз. Ученые показали, что материал состоит из небольших групп атомов (кластеров), которые отличаются механическими свойствами. Исследование открывает новые структурные свойства аморфных углеродных сверхтвердых материалов. Работа опубликована в журнале Carbon.
Углерод образует множество аллотропных модификаций, начиная с графита и алмаза и заканчивая более сложными структурами, такими как нанотрубки и фуллерены. Но и на эти соединения можно воздействовать высокими давлениями, чтобы получить материалы с новыми полезными свойствами. 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, связываются друг с другом в группы — нанокластеры, и получаются фуллериты — аморфные материалы, по прочности сравнимые с алмазами. У физиков есть общие представления о структуре фуллеритов, но при этом она еще не до конца изучена.
Группа ученых под руководством Михаила Попова, профессора кафедры физики и химии наноструктур МФТИ, рассмотрела эти аморфные материалы с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света и показала, как можно получить информацию о каждом кластере фуллерита, его твердости, а также сравнила его характеристики с наноалмазом.
Аспирант МФТИ, первый автор работы Фёдор Хоробрых поясняет: «Ультратвердый фуллерит — уникальный материал, который состоит из многих маленьких углеродных структур (нанокластеров) различных размеров. На спектрах комбинационного рассеяния света мы видим, что разные кластеры высвечиваются на разной длине волны лазера. С ее ростом должна падать интенсивность сигнала. Но на самой большой длине волны в 1 микрон, к нашему удивлению, произошел резонанс — высветились все пики нанокластеров! Благодаря этому мы смогли обнаружить, насколько разнообразна структура ультратвердого фуллерита».
В методе спектроскопии комбинационного рассеяния света исследуемый материал облучается лазером определенной длины волны. Свет взаимодействует с колебаниями атомов или другими возбуждениями и переизлучается веществом на другой длине. Разница длин отображается на спектре, и по ее величине можно определить структуру и колебательный спектр вещества.
В работе физики облучали ультратвердый фуллерит светом с длинами волн от 257 до 1064 нанометров. Положение пика в спектре смещалось с ростом длины волны. Ученые объяснили это тем, что разное излучение активирует разные нанокластеры внутри фуллерита. А при облучении светом в 1064 нанометров произошел резонанс — на спектре отобразилось множество пиков, соответствующих каждому нанокластеру. Такой резонанс физики наблюдали впервые.
На левой части рисунка показан спектр комбинационного рассеяния света ультратвердого фуллерита при облучении светом различной длины волны. Верхняя черная линия показывает резонансный спектр при 1064 нанометрах. На правой части показаны примеры кластеров в фуллерите, где слева изображена деформированная частица, составленная из фуллеренов (онион), посередине — графитоподобная структура, а справа — сильно искаженная структура, близкая к аморфной. Источник: Carbon
Затем ученые сравнили спектры ультратвердого фуллерита и смеси нанометровых алмазов, в которых атомы углерода соединяются между собой таким же образом — так называемыми sp3-связями. Результаты оказались аналогичны. Это означало, что именно наличие разных нанокластеров с преимущественным sp3-связыванием определяет спектр этих углеродных материалов вне зависимости от способа получения и типов кластеров в структуре. При этом в ультратвердом фуллерите так же, как и в наноалмазах, каждый кластер материала имеет различные механические характеристики. Это объясняется разными размерами, формами кластеров и особенностями ковалентных связей внутри них.
Фёдор Хоробрых добавляет: «В этой работе мы объясняем, что структура фуллерита состоит из разных sp3-кластеров фуллерена различных размеров, которые отличаются механическими свойствами, такими как жесткость. Причем каждый кластер внутри материала мы можем отдельно почувствовать, изучить. Мы показали: если углеродная структура состоит из sp3-связанных кластеров, то спектр комбинационного рассеяния света будет такой же, как у смеси наноалмазов. Интересно будет в дальнейшем изучить спектральные свойства ультратвердого фуллерита под высоким давлением вблизи резонанса».
В работе, кроме ученых МФТИ и ТИСНУМ, принимали участие их коллеги из НТЦ уникального приборостроения РАН, Института спектроскопии РАН, (Троицк), Сколтеха, МИСиС, МГУ имени М. В. Ломоносова, Проектного центра ИТЭР и Физического института имени П. Н. Лебедева.
Работа выполнена при поддержке РНФ.
Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ) — базовая организация кафедры физики и химии наноструктур ФЭФМ МФТИ. Начать учиться на кафедре и заниматься наукой в области создания новых конструкционных материалов и исследования их свойств можно в бакалавриате, а также после поступления в магистратуру или аспирантуру ФЭФМ МФТИ.
