Исследователи из Технологического института сверхтвёрдых и новых углеродных материалов в Троицке, МФТИ, МИСиС и МГУ разработали новый метод синтеза ультратвёрдого материала, который превосходит алмаз по твёрдости. Детальное описание способа, позволяющего синтезировать ультратвёрдый фуллерит — полимер на основе фуллеренов, молекул в виде сфер из атомов углерода, — приводится в журнале Carbon.
В своей работе учёные отмечают, что алмаз уже давно не является самым твёрдым материалом. Натуральные алмазы имеют твёрдость около 150 гигапаскалей — сейчас первое место в перечне самых твёрдых материалов занимает ультратвёрдый фуллерит с показателем твёрдости от 150 до 300 ГПа.
Ультратвёрдыми материалами называют все, что твёрже алмаза; материалы мягче алмаза, но твёрже нитрида бора обозначают как сверхтвёрдые: нитрид бора с кубической решёткой почти втрое твёрже хорошо известного корунда.
Фуллериты — это материалы, состоящие из фуллеренов. Фуллеренами, в свою очередь, называют молекулы углерода в виде многогранников, составленных из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода; фуллерен синтезирован более двадцати лет назад, и за его открытие вручена Нобелевская премия. Углеродные сферы в составе фуллерита могут быть по-разному упакованы, и твёрдость материала очень сильно зависит от того, как именно они связаны между собой. В ультратвёрдом фуллерите атомы углерода С связаны друг с другом ковалентными связями во всех направлениях — этот материал учёные называют трёхмерным полимером.
Однако методов, позволяющих получать это перспективное вещество в промышленных масштабах, пока не существует. С практической точки зрения сверхтвёрдая форма углерода интересна в первую очередь специалистам по обработке металлов и других материалов: чем твёрже режущий инструмент, тем дольше он служит и тем качественнее можно обрабатывать детали.
Невозможность синтеза фуллерита в больших количествах обусловлена очень высоким давлением, которое необходимо создать для начала реакции. Образование трёхмерного полимера начинается при давлениях от 13 ГПа или 130 тысяч атмосфер — а создать такое давление в большом объёме современная техника не позволяет.
Учёные показали, что добавление к исходной смеси реагентов сероуглерода, 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. За счёт него образование ценного сверхтвёрдого материала становится возможным при меньшем давлении — 8 ГПа, причём 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 ультратвёрдого фуллерита) создаёт 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.