Американские ученые создали новую сверхтвердую форму углерода — гибридный материал из аморфных компонентов, превосходящий по твердости и другим свойствам алмаз, и представили его миру в статье в журнале Science.

«Мы открыли новую аллотропную модификацию углерода, который сопоставим с алмазом в способности противостоять давлению. После превращения заготовки в новую форму углерода при сверхвысоком давлении, она остается стабильной и в нормальных условиях. Это означает, что этот материал можно использовать в самых разных практических целях», — пояснил руководитель группы физиков Лин Ванг (Lin Wang) из Института науки Карнеги в Аргонне (США).

Ванг его коллеги, в том числе выходец из России Станислав Синогейкин, изучали свойства аморфного углеродного материала, известного под кодовым называнием «углерод-60». Он напоминает по своей форме фуллерен и представляет собой шарик из соединенных друг с другом колец из пяти и шести атомов углерода.

Ученые растворили шарики «углерода-60» в органическом растворителе ксилоле, молекулы которого состоят из кольца атомов углерода и двух метильных хвостов, и приступили к экспериментам. Физики сжимали раствор под высоким давлением и следили за тем, как меняются свойства материала.

При небольших давлениях свойства раствора не менялись, однако при достижении отметки в 32,8 гигапаскаль, или 323 тысячи атмосфер, материал пережил структурную перестройку. В результате этого возник новый, сверхтвердый материал, не уступающий в твердости алмазу. Так, он способен поцарапать поверхность алмаза и выдерживает сопоставимые давления, что и его природный «конкурент».

Обнаружив столь необычный материал, Ванг и его коллеги изучили его структуру, просветив фрагмент новой формы углерода при помощи рамановского спектрографа. Оказалось, что их детище было аморфным, а не кристаллическим, что было достаточно неожиданным открытием. С точки зрения теории, сверхпрочные материалы с аморфным устройством могут существовать, однако на практике такие вещества не были известны до этого открытия.

По словам физиков, повышение давления до 32 гигапаскаль привело к частичной деформации сфер «углерода-60». Поврежденные сферы «слиплись» и потеряли способность восстанавливать свою форму, в результате чего данный материал приобрел устойчивость при нормальном давлении и температуре.

Молекулы растворителя играют ключевую роль в удивительных свойствах материала — выпаривание ксилола привело к разрушению фрагмента новой формы углерода. Скорее всего, это связано с тем, что небольшие молекулы растворителя повышают прочность материала, заполняя пустоты, возникшие при деформации «углерода-60».

Ванг и его коллеги планируют создать и другие виды похожих материалов, меняя число атомов в углеродных «шариках» и форму молекул растворителя. По их словам, это поможет лучше понимать то, почему данная форма углерода обладает столь высокой прочностью.