У пошуках самого твердого матеріалу.
У пошуках самого твердого матеріалу.
У центрі нашої планети породи вагою в мільярди тонн створюють силу, яка в три мільйони разів перевищує атмосферний тиск на поверхні. Тим не менше на стільниці своєї скромної лабораторії на півночі Баварії фізик Наталія дубровинская може перевищити навіть це шалений тиск в кілька разів, завдяки пристрою, який вміщується у неї в руці.
Кілька точних поворотів гвинтів у верхній частині невеликого циліндра - і вона може створити тиск, в три рази перевищує тиск у ядрі землі. Дивно, але разом з колегами з університету байройта вона виявила дивовижний матеріал, здатний витримувати цю феноменальну силу. Він настільки твердий, що може залишити вм'ятину в кристалі алмазу, який довгий час вважався самим твердим матеріалом у світі.
Її нова речовина - це кульмінація десятирічних пошуків сучасних алхіміків, вчених, які хімічили і возилися з хімічною структурою речовин, намагаючись підлаштувати і змінити їх властивості потрібним чином. Це подорож, в якому було багато невдалих спроб і тупиків. Але останні досягнення науковців можуть мати широкі наслідки, від проривів в медицині до зміни нашого розуміння далеких світів.
Любов людства до твердих матеріалів сходить до самих перших днях нашого виду, коли наші предки почали використовувати тверді камені, щоб надавати форму іншим більш м'яким камінню, роблячи з них леза. Поступово їх заміняли все більш твердими металами, поки близько 2000 років не виробили першу сталь. Вона залишалася самим твердим відомим матеріалом до 18 століття, а потім вчені з'ясували, що можуть покривати інструменти алмазами.
Незважаючи на очевидну привабливість для ювелірних виробів, більшість оброблених алмазів використовується для створення надтвердих покриттів для зносостійких інструментів і свердел. У гірничодобувної та нафтової промисловості такі алмазні інструменти просто необхідні - без них пробитися через сотні метрів порід до цінних ресурсів в глибині землі було б надзвичайно важко, якщо взагалі можливо.
"Тверде покриття ннеобхідно для разного рода применений, начиная від высокоскоростных режущих інструментов, рлубоководных зверл, дзвичайні раза і нефти і заканчивая биомедицинским применением", - каже Ягдиш Нараян, головний матеріалознавець в університеті штату північна Кароліна.
Щоб зрозуміти, що робить матеріал твердим, потрібно поглянути на атомну структуру його кристалів.
Алмази утворюються з тих же атомів вуглецю, що становлять м'який графіт - його можна знайти в сердцевинке будь-якого олівця. Різниця між цими двома формами вуглецю в розташуванні атомів полягає. Графіт формується з листів атомів вуглецю, розташованих плоскими шестикутниками, які утримуються слабкими силами тяжіння між кожним шаром.
В алмазі ж атоми вуглецю утримуються у формі тетраедра, яка надзвичайно жорстка. У поєднанні з тим, що вуглець утворює сильні зв'язки, це і породжує твердість алмазу.
Слово "Алмаз", "адамант", "діамант", "Diamond" походить від давньогрецького "адамас", що означає незламний. Правда, при достатньо високому тиску ламається і алмаз. Крихітні слабинки в кристалі також можуть послабити його, що робить алмаз вразливим до розпаду.
І це створює для вчених проблему: як вивчати поведінку матеріалів при високому тиску, якщо навіть найтвердіший зустрічається в природі матеріал може зруйнуватися? Щось потрібно знайти більш стійке.
Помилкова надія.
Навряд чи вас здивує, що пошук надтвердої матеріалу починається зі спроби повторити структуру алмазу, але, по правді кажучи, існує не так багато елементів, здатних зв'язуватися між собою таким же чином.
Один з таких матеріалів - нітрид бору. Подібно вуглецю, цей синтетичний матеріал буває в декількох формах, але можна повторити структуру алмазу, замінивши атоми вуглецю атомами азоту і бору. Вперше створений в 1957 році "Кубічний Нітрид Бору" був досить твердим, щоб подряпати алмаз - як заявляли спочатку. Але більш пізні тести показали, що цей матеріал навіть і на половину не такий же твердий, як його аналог на основі вуглецю.
Наступні кілька десятиліть породили ряд розчарувань, коли вчені почали шукати способи зв'язати три елементи - азот, бор і вуглець - в різних формах. З тонких плівок одного з таких матеріалів, що були створені в 1972 році, змогли створити форму, що імітує структуру алмазу; але з недоліків було те, що процес включав складну хімію і надзвичайно високі температури для виробництва. І , увага, тільки в 2001 році алмазоподібний нітрид бору був створений вченими національної академії наук України в Києві спільно з колегами з Франції та Німеччини. І хоча цей новообнаруженный матеріал був твердіший кристалів кубічного нітриду бору, він все ще програвав алмазу.
Потім, сім років тому, чангфенг Чен, фізик з університету штату невада, і його колеги з шанхайського університету цзяо тун у Китаї вирішили, що зможуть повалити алмаз з п'єдесталу. Вони розрахували, що химерна шестикутна форма нітриду бору, відома як вюрцит нітриду бору, зможе витримати на 18% більше тиску, ніж алмаз. Цей рідкісний матеріал має подібну алмазу і кубічному нітриду бору чотиригранну структуру, тільки зв'язку сформовані під різними кутами. Комп'ютерне моделювання поведінки такого матеріалу під тиском показало, що деякі з цих зв'язків є гнучкими та переорієнтовують себе на 90 градусів, опиняючись в умовах напруги, щоб його зняти.
Хоча алмазу аналогічним чином реагують на тиск, вюрцит нітриду бору стає на 80% твердіше при більш високому тиску. Заковика в тому, що його досить небезпечно створювати для цього доведеться штучно створити вибухи, які імітують умови високого тепла і тиску вулканічних вибухів. Очевидно, отримати їх в достатніх обсягах буде дуже важко. Аналогічні проблеми обмежують потенціал досліджень схожого речовини, відомого як лонсдейліт, яка повинна бути в змозі витримувати на 58% більше тиску, ніж звичайні кристали алмазу.
І лише в останні кілька років ми почали спостерігати деякі прориви. У 2015 році Джагдіш Нараян і його колеги з університету штату північна Кароліна розплавили некристаллическую форму вуглецю (скловуглець) швидким лазерним імпульсом, нагрівання її до 3700 градусів за цельсієм, а після швидко охолодили. Це охолодження або гасіння, призвело до створення Q - вуглецю, дивною, але виключно міцною аморфній формі вуглецю. На відміну від інших форм вуглецю, ця магнітна і світиться при дії світла.
Структура цього матеріалу здебільшого представлена зв'язками алмазного типу, але також має від 10 до 15 відсотків зв'язків графітного типу. Випробування показали, що Q - вуглець може бути мінімум на 60% твердіше алмаза, але це ще належить затвердити остаточно. Справжні випробування на твердість вимагають порівняння зразків з наконечником, який твердіше випробуваного матеріалу. Намагаючись продавити зразок Q - вуглецю двома загостреними алмазними наконечниками, з'являється проблема: алмазні кінчики деформуються.
І ось тут - то можуть знадобитися надтверді ковадла дубровинських. Її новий матеріал являє собою унікальну форму вуглецю, відому як нанокристалічні алмазні кульки, і, замість того щоб складатися з єдиної кристалічної решітки атомів вуглецю, він складається з безлічі крихітних окремих кристалів - кожен в 11 000 разів менше товщини людського волоса - пов'язаних між собою шаром графена, не менш дивного матеріалу в один атом вуглецю товщиною.
У разі якщо алмазний кристал починає поступатися при тиску 120 гпа, новий матеріал може витримати не менше 460 гпа. Він навіть може пережити здавлювання для генерації тиску до 1000 гпа. Ці крихітні сфери твердіше будь-якої іншої відомої субстанції на планеті. Щоб відчути його силу, уявіть 3000 дорослих африканських слонів, балансуючих на одній шпильці. Це найтвердіший з усіх відомих надтвердих матеріалів", говорить дубровинская.
Нанокристалічні алмазні кульки також прозорі, що дозволяє їм виступати в ролі крихітних лінз, через які дослідники можуть вдивлятися в раздавливаемый матеріал, використовуючи рентгенівське випромінювання. "Це дозволяє нам здавлювати досліджуваний матеріал і спостерігати за тим, що відбувається, - говорить дубровинская. - досягнення надвисокого тиску відкриває нові горизонти для більш глибокого розуміння матерії".
Дубровинская и ее коллеги уже применили это для изучения осмия, металла, который находится в числе наиболее устойчивых к сжатию в мире. Они обнаружили, что осмий может сопротивляться сжатию с давлением более 750 гпа. В этой точке внутренние электроны, которые обычно тесно связаны с ядром атома металла и являются весьма стабильными, начинают взаимодействовать между собой. Ученые полагают, что это странное поведение может привести к переходу металла из твердого в ранее неизвестное состояние вещества. Было бы весьма интересно изучить, какие свойства осмий при этой приобретает.
Надтверді наноалмази просто дозволяють створити нові ріжучі краї для різьблення по металу і каменю. В порошкоподібної формі такі наноалмази знаходять застосування в косметичній промисловості, оскільки володіють високою всмоктуючою здатністю. Вони також легко вбираються в шкіру, несучи з собою активні речовини. Медична промисловість починає вивчати способи використання наноалмазів для перенесення ліків, наприклад, в процесі хіміотерапії у важкодоступних ділянках тіла. Дослідження також показали, що наноалмази можуть сприяти росту кістки і хряща.
Що найцікавіше, ця недавня робота може допомогти нам розкрити кілька таємниць нашої сонячної системи. В наступному місяці пройде міжнародна конференція, на якій експерти обговорять нові можливості. Таким чином, якщо в центрі землі тиск, як вважають, доходить до 360 гпа, в ядрі газового гіганта Юпітера тиск може досягати неймовірних 4500 гпа.
При такому тиску елементи починають вести себе дивним чином. Водень - в звичайному стані газ - починає вести себе як метал, наприклад, і стає здатним проводити електрику. Дубровинская і дубровинський сподіваються, що їх надтверді алмази можуть допомогти нам відтворити ці космічні умови. "Ми могли б змоделювати надра гігантських планет або позаземних суперземель за межами нашої сонячної системи. Думаю, ще більш дивно те, що ми можемо робити це з допомогою чогось, що можемо тримати в руках".
