Новые грани алмазов

*

Наверняка большинство из вас знает, что алмаз - это самый прочный природный материал на нашей планете, из которого делают любимые всеми бриллианты для ювелирных украшений. Хотя искусственно созданный фуллерит, другой материал, состоящий как и естественный аналог - из углерода, обладает еще большей плотностью, но пока не выяснено, возможно ли его появление естественным образом. Поэтому алмаз сохраняет свои позиции лидера среди минералов, его кристаллы используют как эталон прочности - вдавливая их в другие материалы и измеряя величину углубления, получают механическую твердость по различным шкалам.

Помимо своей твердости, алмаз известен другими уникальными характеристиками - высокой жесткостью, исключительной теплопроводностью, высокой химической стойкостью и оптической прозрачностью. Эти замечательные свойства минерала делают его перспективным для применения в различных научных и технологических областях, однако масштабное использование замедлялось из-за хрупкости алмаза.

Да, несмотря на всю несравненную твердость материала, его кристаллы одновременно не выдерживают механических нагрузок - раскалываются. Оказывается, происходит это вследствие дефектов кристаллической структуры природного алмаза. Теоретическое моделирование атомной решетки показывает, что алмаз может растягиваться и изгибаться, но из-за того, что имеются нарушения идеального расположения атомов - в месте этих нарушений происходит фатальное разрушение при приложении механических усилий.

Недавнее исследование ученых из южнокорейского университета UNIST (Ulsan National Institute of Science and Technology), показало, что хрупкие и жесткие алмазы на самом деле могут быть согнуты и даже эластично растянуты, если их создать в виде ультратонких игл.

*

Этот прорыв был осуществлен командой профессора Фэн Дин (Feng Ding) из Центра многомерных углеродных материалов института фундаментальной науки UNIST в сотрудничестве с интернациональной группой исследователей из Массачусетского технологического института, городского университета Гонконга и Наньянского технологического университета в Сингапуре. Результаты совместного исследования были опубликованы недавно в журнале “Наука” (Science).

Ученые продемонстрировали, что их алмазные иглы размерами в миллионные доли миллиметров могут изгибаться и растягиваться на целых девять процентов без разрушения, к тому же после устранения прилагаемого усилия они возвращают свою первоначальную форму. Их открытие и экспериментальное подтверждение полностью опровергает предыдущие теории о том, что алмазы - это хрупкий материал. Эти результаты, по мнению исследовательской группы, могут открыть беспрецедентные возможности для использования уникальных оптических, оптико-механических, магнитных, фононных (колебания атомов кристаллической структуры, обеспечивающих теплопроводность и сверхпроводимость) и каталитических свойств алмазов. Упругая деформация алмазных игл дает перспективу сделать упругие структуры из этого кристалла.Сверхтонкая проволока из алмаза или нечто подобное может обеспечить прорывы во множестве технологий.

По словам исследователей, обычные кристаллы алмазов в своих обычных формах имеют упругость значительно меньше одного процента. В ходе работы часть команды занималась теоретическим расчетом и анализом кристаллической структуры материала, и ими было выяснено, что с гладкой поверхностью и при отсутствии внутренних дефектов может наблюдаться высокая упругость (эластичность) алмазных наноструктур.

Несмотря на то, что некоторые природные алмазы и бриллианты из них могут казаться абсолютно чистыми, прозрачными и однородными, все они имеют внутренние нарушения своей кристаллической структуры. Когда в этом месте прилагаются внешние силы - возникает трещина и кристалл разрушается.

*

В ходе расчетов и моделирования команда профессора Дина точно определила, какие усилия и деформации способны выдержать без нарушения структуры идеальные алмазы. Получилось упругое (то есть с возвратом в исходную форму) растяжение-сжатие около 12 процентов.

На практике они получили чуть меньшую, но также потрясающую величину - алмазные иглы растягивались и сгибались на 9% без последующих механических повреждений.

Созданием игл занималась группа из городского университета Гонконга, им удалось это сделать путем плазменного травления алмазных тонких пленок, наносимых на подложки из кремния с помощью химического осаждения из газовой фазы (Chemical vapor deposition, CVD). В результате ученые смогла продемонстрировать сверхбольшую, полностью обратимую упругую деформацию наноразмерных (~ 300 нанометров) одно- и поликристаллических алмазных игл.

Измерение изгиба выращенных игл проводилось с помощью сканирующего электронного микроскопа, а нажатие на них проводили с помощью наконечника из обычного алмаза-индентора (определителя твердости материалов). Экспериментально было установлено, что однокристаллические иглы показывают наибольшую упругость - с полностью обратимой механической деформацией до 9%.

Ученые надеются, что их результаты могут привести к улучшению многих технологий, в том числе в устройствах хранения данных, к созданию принципиально новых наноструктур с уникальным исвойствами. Большая упругая деформация может быть использована и в гибких электронных устройствах - складных дисплеях нового поколения. Углерод - весьма распространенный на Земле элемент, и алмаз как одна из его форм, наверняка, будет применяться гораздо шире.

*