Полимеризованный фуллерит: Как фуллерит становится твёрже алмаза

Как фуллерит становится твёрже алмаза

14 марта 2017 года5-100

Алмазная оболочка делает фуллерит рекордсменом по твердости

Физики смоделировали структуру нового материала на основе фуллерита и алмаза с помощью которой показали, как материал приобретает сверхвысокую механическую жёсткость. Это открытие позволяет оценить потенциальные условия для получения ультратвёрдых материалов. Результаты опубликованы в журнале Carbon.

Фуллерит — это молекулярный кристалл, в узлах решётки которого находятся молекулы фуллерена. Фуллереном называют молекулярную форму углерода атомы в которой образуют сферу наподобие футбольного мяча. Её открыли более тридцати лет назад Крото, Смолли и Кёрл, за что в 1996 году получили Нобелевскую премию по химии. Углеродные сферы в составе фуллерита могут быть по-разному упакованы, и твёрдость материала очень сильно зависит от того, как именно фуллерены связаны между собой. Группе учёных из ФГБНУ ТИСНУМ, МФТИ, Сколтеха и МИСиС под руководством профессора, доктора физико-математических наук Леонида Чернозатонского из Института биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН и доктора физико-математических наук Павла Сорокина, ведущего научного сотрудника лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ МИСиС, преподавателя МФТИ, удалось объяснить, почему фуллерит становится ультратвёрдым материалом.

Александр Квашнин, к.ф.-м.н., автор работы: «Я работал в Технологическом институте сверхтвёрдых и новых углеродных материалов, когда начала обсуждаться идея данной работы. Там в 1998 году впервые группой учёных под руководством Владимира Давыдовича Бланка был получен новый материал на основе фуллеренов — ультратвёрдый фуллерит или „тиснумит“. Этот материал мог царапать алмаз, то есть по сути был твёрже, чем алмаз».

Полученное вещество не было монокристаллическим, оно состояло из аморфного углерода и полимеризованных молекул С60. При этом не до конца было понятно с чем связаны такие уникальные механические свойства материала. Известно, что молекула фуллерена обладает исключительной механической жёсткостью. А кристалл фуллерита, состоящий из этих молекул, при нормальных условиях — достаточно мягкий материал, но под давлением (3D-полимеризация) становится твёрже алмаза. Вот уже более 20 лет этот материал исследуют, но до сих пор была неизвестна причина того, почему материал получается ультратвёрдым.

Существует ряд моделей того, как фуллерены могут полимеризоваться в фуллерит. Спектр рентгеновской дифракции одной из моделей предложенной Леонидом Чернозатонским очень хорошо сочетался с экспериментом. Структура должна была обладать исключительной твёрдостью, а также большим объёмным модулем упругости (характеристика способности вещества сопротивляться всестороннему сжатию), больше чем у алмаза, в несколько раз. Однако оказалось что в релаксированном состоянии она не имеет этих уникальных свойств.

Александр Квашнин: «Мы взяли за основу эту модель и экспериментально известный факт — если порошок фуллерена сдавливать большим давлением свыше 10 ГПа и нагревать до температуры свыше 1800 К, образуется поликристаллический алмаз. Идея была в том, чтобы скомбинировать эти два факта. С одной стороны — сверхтвёрдый материал из фуллерита, а с другой — под давлением сжатые фуллерены переходят в поликристаллический алмаз».

Учёные предположили, что при сжатии часть фуллерита перешла в алмазоподобный углерод, а часть сохранила свою структуру, но при этом оказалась в сжатом состоянии. В разработанной модели структура, взятая за основу, в сжатом состоянии была помещена внутрь монокристаллического алмаза, после чего были изучены её свойства. Суть идеи в том, что сжатый фуллерит внутри алмаза имеющий повышенную механическую жёсткость, удерживается алмазной оболочкой, что приводит к повышенным механическим характеристикам уже всей структуры. В ходе работы выяснилось, что с увеличением размера фуллеритового кластера и при сохранении размеров алмазной оболочки спектр рентгеновской дифракции материала становился ближе к экспериментальному, при этом его механические характеристики значительно превосходили характеристики алмаза. Из сравнения спектров было предположено, что, скорее всего, в эксперименте получилась аморфная углеродная среда, в которой находился сжатый фуллерит.

Павел Сорокин, д.ф.-м.н., автор работы: «Мы надеемся, что наша работа приблизила нас к разрешению загадки ультратвёрдого углерода. Разработанная модель поможет понять природу его уникальных свойств, помочь направленно синтезировать новые ультратвёрдые углеродные материалы, и, надеюсь, будет способствовать дальнейшему развитию этой перспективной области науки».

сорокинфуллерит5-100

Поделиться

• 20 марта НИТУ «МИСиС» показал свои возможности на APAIE-2017
• 18 марта НИТУ «МИСиС» успешно защитил «Дорожную карту» Проекта 5-100
• 14 марта Как фуллерит становится твёрже алмаза
• 8 марта НИТУ «МИСиС» занял 31 место в глобальном предметном рейтинге вузов QS World University Rankings by Subject
• 3 марта В НИТУ «МИСиС» создан метаматериал для сверхэффективных лазеров

Новости5-100

Свежие

СМИ о нас

Поступающим

5-100

Объявления приемной комиссии

Наука

Образование

Международное сотрудничество

Университетская жизнь

Достижения науки

Научное сообщество

Федеральные целевые программы

Взаимодействие с бизнесом

COVID-19

Объявления для студентов

Объявления Центра подготовки кадров высшей квалификации

НИТУ МИСИС меняет мир

Достижения студентов

Поздравления

Импортозамещение

Мероприятия и выставки

ЦИНТИ

Программа «Приоритет 2030»

8 июля

НИТУ «МИСиС» — в топ-10 лучших университетов России по версии Интерфакс

30 сентября

Цифровизация высшего образования и трансформация образовательного процесса в условиях пандемии

2 сентября

НИТУ «МИСиС» подтвердил свои позиции в рейтинге THE

Читать все новости

Фуллерит | это.

.. Что такое Фуллерит?

Структура фуллерита

Фуллери́т (англ. fullerite) — это молекулярный кристалл, в узлах решётки которого находятся молекулы фуллерена.

Кристаллы фуллерита C₆₀

Крупнокристаллический порошок фуллерита C₆₀ в растровом электронном микроскопе

При нормальных условиях (300 К) молекулы фуллерена образуют гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую решётку. Период такой решётки составляет а = 1,417 нм, средний диаметр молекулы фуллерена С₆₀ составляет 0,708 нм, расстояние между соседними молекулами С₆₀ равно 1,002 нм.^{[источник не указан 258 дней]}Плотность фуллерита составляет 1,7 г/см³, что значительно меньше плотности графита (2,3 г/см³), и, тем более, алмаза (3,5 г/см³). Это связано с тем, что молекулы фуллерена, расположенные в узлах решётки фуллерита, полые.

Поскольку силы взаимодействия между молекулами С₆₀ в кристалле малы, а симметрия очень высока, то при температуре выше 260 К молекулы фуллерена вращаются, и к ним вполне применима модель шарового слоя. Частота вращения, разумеется, зависит от температуры, и при Т = 300 К равна приблизительно 10¹² с⁻¹. При понижении температуры (Т < 260 K) вращение молекул фуллерена прекращается. При Т = 260 К происходит изменение кристаллической структуры фуллерита (фазовый переход 1-го рода) с одновременным замораживанием вращательного движения молекул вследствие увеличения энергии межмолекулярного взаимодействия. Так называемая низкотемпературная фаза фуллерита имеет простую кубическую (ПК) решётку.

Элементарная ячейка кристаллической решётки фуллерита содержит 8 тетраэдрических и 4 октаэдрических пустот, каждая из которых окружена соответственно 4 и 6 молекулами С₆₀. Размеры октаэдрических пустот составляют 0,42 нм, тетраэдрических — 0,22 нм.

В низкотемпературной фазе фуллерита на каждую молекулу С₆₀ приходится две тетраэдрические и одна октаэдрическая межузельные пустоты со средними линейными размерами, приблизительно, 2,2 Ǻ и 4,2 Ǻ, соответственно

Фуллериты достаточно устойчивы химически и термически, хотя и представляют собой фазу, термодинамически невыгодную относительно графита. Они сохраняют стабильность в инертной атмосфере вплоть до температур порядка 1200 К, при которых происходит образование графита. Образования жидкой фазы вплоть до этих температур не наблюдается. В присутствии кислорода уже при 500 К наблюдается заметное окисление с образованием CO и CO₂. Химической деструкции фуллерита также способствует наличие следов растворителей. Фуллериты достаточно легко растворяются в неполярных ароматических растворителях и в сероуглероде CS₂.^[1]

Благодаря тому, что молекулы фуллеренов в фуллерите сближены, из них могут быть получены различные олигомеры и полимерные фазы под действием света, облучения электронами или давления. При давлении до 10 ГПа получены и охарактеризованы орторомбическая фаза, состоящая из линейных цепочек связанных между собой молекул С₆₀, а также тетрагональная и ромбоэдрическая фазы, состоящие из слоев с тетрагональной и гексагональной сетями межмолекулярных связей, соответственно.^[1]

Существуют данные об образовании из фуллерита ферромагнитных полимеризованных фаз (так называемый магнитный углерод) под действием давления и температуры, хотя природа этого явления и сами данные не вполне однозначны. Существование таких фаз может быть связано с образованием дефектов, присутствием примесных атомов и частиц, а также с частичным разрушением молекул фуллерена. При давлениях свыше 10 ГПа и температурах свыше 1800 К происходит образование алмазных фаз, причем при определенных условиях могут быть получены нанокристаллические алмазы. Отмечают, что образование алмазов из фуллерита происходит при более низких температурах по сравнению с графитом.^[1]

Особенностью фуллеритов является присутствие сравнительно больших межмолекулярных пустот, в которые могут быть внедрены атомы и небольшие молекулы. В результате заполнения этих пустот атомами щелочных металлов получают фуллериды, проявляющие сверхпроводящие свойства при температурах до 20–40 К.^[1]

Полимеризованный фуллерит является самым твердым веществом, известным науке (примерно в 2 раза твёрже алмаза^[2]). Теоретически, из него можно изготавливать инструменты для обработки легированных сталей и алмазов, что, однако, далеко от практической реализации.

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3 4} Зайцев Дмитрий Дмитриевич, Иоффе Илья Нафтольевич Фуллерит «Словарь нанотехнологичных терминов». РОСНАНО. Архивировано из первоисточника 25 февраля 2012. Проверено 7 декабря 2011.
2. ↑ Ultrahard and superhard phases of fullerite C60: comparison with diamond on hardness and wear

См. также

• Кристалл

Источники

• Сидоров Л. Н., Юровская М. А., Борщевский А. Я. и др. Фуллерены. — М.: Экзамен, 2005. — 687 с.
• Золотухин И. В. Фуллерит — новая форма углерода // Соросовский образовательный журнал. 1996. №2. С. 51–56. — http://window.edu.ru/window/catalog?p_rid=21293

Как фуллерит становится тверже алмаза

изображение: Модель фуллерита внутри алмаза.
посмотреть больше 

Кредит: Рисунок предоставлен А. Квашниным

Физики смоделировали структуру нового материала на основе фуллерита и монокристаллического алмаза, чтобы показать, как этот материал может получить сверхвысокую твердость. Это открытие позволяет оценить потенциальные условия получения сверхтвердых материалов. Результаты были опубликованы в 9Журнал 0010 Carbon .

Фуллерит обычно представляет собой молекулярный кристалл с молекулами фуллерена в узлах решетки. Фуллерены представляют собой форму молекулярного углерода, в которой атомы углерода образуют сферу. Впервые он был синтезирован более тридцати лет назад, и его открытие было удостоено Нобелевской премии. Углеродные сферы в фуллерите могут быть упакованы по-разному, и твердость материала сильно зависит от того, как фуллерены связаны друг с другом. Группа ученых из Московского физико-технического института (МФТИ), Сколковского института науки и технологий (Сколтех), Национального исследовательского технологического университета (МИСиС) и ФГБНУ «Технологический институт сверхтвердых и новых технологий» Углеродные материалы (ФГБНУ ТИСНХМ, Москва, Троицк) под руководством профессора Леонида Чернозатонского из Института биохимической физики (ИБХФ) РАН удалось объяснить, почему фуллерит становится сверхтвердым материалом.

Александр Квашнин, кандидат физико-математических наук, основной автор, заметил: «Когда мы начали обсуждать эту идею, я работал в ТИСНКУМ. материал на основе фуллеренов — сверхтвердый фуллерит, или «тиснумит». Согласно измерениям, этот новый материал мог царапать алмаз, то есть был фактически тверже алмаза».

Полученное вещество не является монокристаллическим материалом; он содержал аморфный углерод и 3D-полимеризованные молекулы C60. Тем не менее, его кристаллическая структура не полностью определена. Молекула фуллерена обладает превосходной механической жесткостью. В то же время кристалл фуллерита в нормальных условиях является достаточно мягким материалом, но под давлением становится более твердым, чем алмаз (за счет трехмерной полимеризации). Хотя этот материал синтезируется и изучается уже более 20 лет, причина, по которой он становится сверхтвердым, до сих пор неизвестна. Существует ряд моделей, которые были разработаны для объяснения того, как фуллерены могут полимеризоваться в фуллерит.

Одна из моделей предложена профессором Леонидом Александровичем Чернозатонским. Рентгенограмма модели полностью согласуется с экспериментальными данными и должна иметь высокий объемный модуль объемного сжатия, в несколько раз превышающий значение алмаза. Но расслабленная структура модели не обладает такими захватывающими свойствами.

Александр Квашнин отмечает: «Мы основывали наш анализ на этой модели и экспериментально известном факте, что если к порошку фуллерена приложить высокое давление, более 10 ГПа, и нагреть его выше 1800 К, то получится поликристаллический алмаз. совместить эти два факта. С одной стороны, сверхтвердый фуллеритовый материал, а с другой стороны, под давлением фуллерены превращаются в поликристаллический алмаз».

Ученые предположили, что под давлением часть фуллерита превратилась в алмаз, а другая часть осталась фуллеритом, но в сжатом состоянии внутри алмаза. Для упрощения модели была взята кристаллическая структура фуллерита, предложенная проф. Чернозатонским, и помещена внутрь монокристаллического алмаза. Затем этот композиционный материал был изучен. Идея заключалась в том, что фуллерит внутри алмаза должен быть сжат. Известно, что в сжатом состоянии упругие и механические свойства материала увеличиваются. А алмаз будет действовать как оболочка, которая удерживает внутри сжатый фуллерит, сохраняя все эти свойства. В ходе исследования они сначала проанализировали небольшие модели, содержащие зерна фуллерита размером 2,5 нм внутри алмазной оболочки толщиной 1 нм. Однако такая маленькая модель не соответствовала экспериментальным данным. Затем исследователи приступили к моделированию композитов, в которых размер фуллерита был увеличен до 15,8 нм, а толщина алмазной оболочки осталась прежней. Изменения в спектре рентгеновской дифракции показали, что увеличение размера фуллерита приближает спектр к экспериментальным данным. После сравнения спектров предположили, что, скорее всего, в эксперименте получена аморфная углеродная среда с гидростатически сжатым фуллеритом внутри, тогда как в модели речь идет об алмазе, содержащем фуллерит внутри. Судя по рассчитанному спектру, новая модель очень хорошо коррелирует с экспериментальными данными.

«Разработанная модель поможет нам понять природу его уникальных свойств и поможет планомерно синтезировать новые сверхтвердые углеродные материалы, а также внести свой вклад в дальнейшее развитие этой перспективной области науки», — сказал Павел Сорокин, доктор физико-математических наук, руководитель проекта (ТИСНУМ, МИСиС, МФТИ).

Фуллерит сам по себе не очень твердый; его объемный модуль в 1,5 раза меньше, чем у алмаза. Но когда он сжат, его объемный модуль резко возрастает. Чтобы сохранить этот повышенный объемный модуль, фуллерит всегда должен оставаться в таком сжатом состоянии. Используя результаты моделирования, ученые могут проводить целевые эксперименты для получения сверхтвердого материала.

###

Журнал

Carbon

DOI

10.1016/j.carbon.2017.01.028

Отказ от ответственности! не несут ответственности за достоверность новостных сообщений, размещенных на EurekAlert! содействующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

Моделирование решает проблему сверхтвердых материалов

Вычисление

СМЕНИТЬ ТЕМУ

Главная » Вычисления и теория » Новости » Моделирование решает проблему сверхтвердых материалов

3 мая 2017 г.
| Корделия Сили

Модель фуллерита, окруженного алмазной оболочкой. (Любезно предоставлено Александром Квашниным.)

Российские исследователи считают, что разгадали тайну, почему фуллеритовые нанокомпозиты такие сверхтвердые [Квашнина и др. , Carbon 115 (2017) 546].

Почти 20 лет назад коллектив ученых Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов под руководством Владимира Бланка синтезировал материал на основе полимеризованного фуллерита с выдающимися жесткостью и твердостью, получивший название «тиснумит». Фуллерит представляет собой молекулярную кристаллическую решетку, состоящую из молекул фуллерена — полых сфер из атомов углерода. Но атомная структура фуллерита и происхождение его исключительных механических свойств оставались загадкой.

Сейчас группа исследователей из того же института совместно с коллегами из МФТИ, Сколковского института науки и технологий, Института биохимической физики им. новая модель фуллерита, близко согласующаяся с экспериментальными данными.

Исследователи предполагают, что при сжатии фуллерита при высокой температуре часть фуллеренов превращается в поликристаллический алмаз, а остальные остаются в сжатом состоянии (SH-фаза).

«Аморфная структура сверхтвердого фуллерита привела нас к предположению, что сжатый полимеризованный фуллерит окружен аморфной оболочкой из атомов углерода с алмазоподобными sp ³ связями, которая не позволяет структуре расширяться», поясняет исследователь Александр Григорьевич Квашнин.

Другими словами, фуллерит можно рассматривать как зерно нанокомпозита с оболочкой из алмаза. По словам Квашнина, зерна фуллерита расположены в виде периодов в монокристаллическом алмазе, как изюм в пироге.

«Из экспериментов и теории известно, что материал в сжатом состоянии будет демонстрировать лучшие механические свойства по сравнению с расслабленным состоянием», — объясняет он. «В этом нанокомпозите с наночастицами в SH-фазе, зажатыми в алмазоподобной аморфной матрице, сохраняются улучшенные механические свойства».

Эти механические свойства включают сверхвысокую механическую жесткость, даже выше, чем у алмаза. Если бы такие выдающиеся свойства могли быть реализованы в материалах, которые можно было бы легко синтезировать, это могло бы привести к созданию механических деталей с уменьшенным износом и более длительным сроком службы во многих отраслях промышленности. Но с такими сверхтвердыми материалами, для производства которых, вероятно, потребуется высокое давление, может быть трудно работать.

Квашнин считает, что следующим шагом вперед будет попытка синтезировать новый материал при различных условиях высокого давления и температуры и исследовать его свойства. Исследователи всего мира по-новому смотрят на сверхтвердый углерод, и Квашнин надеется, что их новая модель поможет понять эти исключительные материалы.

Чтобы бесплатно прочитать полную статью, нажмите здесь.

Поделись этой новостью

Событие

Текущие исследования

Массивы нанолент MoTe2 высокой плотности без литографии Чжэн Лю

Текущие исследования

Гигантский электромеханический отклик в слоистых сегнетоэлектриках, обеспечиваемый асимметричным сегнетоэластичным переключением Юнсян Ли, Чжиго И

Текущие исследования

Созданная на поверхности хлорелла облегчила гипоксическую микроокружение опухоли для усиления химиотерапии и иммунотерапии препаратами первой линии

Том 58, страницы 57–70 Cheryl H.