Перейти к содержанию

Новости высоких технологий

В центре нашей планеты, скалы весом в миллиарды тонн создают силы, что в три миллиона раз превышает Атмосферное давление на поверхности. Тем не менее, на поверхности стола в своей небольшой лаборатории, в Северной Баварии физического Наталья Дубровинская может преодолеть даже это сумасшедшее давление в несколько раз, при помощи устройства, которое помещается у нее в руке.

Несколько точных оборотов винта в верхней части небольшой цилиндр — и может создать давление в три раза выше, чем давление в ядре Земли. На удивление, вместе с коллегами из Университета в Байройте, он обнаружил удивительный материал, способный выдерживать эту супер силу. Так основательно, что можно оставить зазор в кристалл алмаз, который долгое время считался самым твердым материалом в мире.

Новое вещество представляет собой кульминацию десяти лет поиска современных алхимиков, ученых, которые химичили и комментарий с химической структурой веществ, пытаясь адаптировать и менять свои свойства в зависимости от необходимости. Это путешествие, в котором было много фальстартов и тупиков. Но и последние научные достижения могут иметь широкие последствия прогресса в медицине, вплоть до изменения нашего понимания далеких миров.

Любовь человечества к твердым материалы, восходит к первой неделе нашего вида, когда наши предки начали использовать твердые камни, чтобы сформировать другие, более мягкие камни, превратив их в лист. Постепенно их заменили более жестких металлов, в то время как около 2000 лет не произошло первое из нержавеющей стали. Она оставалась более твердый известный материал, до 18 века, а затем ученые обнаружили, что могут покрыть инструментов из алмазов.

Несмотря на очевидную привлекательность для ювелирных изделий, большинство договоров, алмазов используется для создания сверхтвердых покрытий и износостойких инструментов и сверла. В горнодобывающей и нефтяной промышленности, как алмазные инструменты — без пробиться через сотни метров горных пород до ценных ресурсов в глубине Земли было бы чрезвычайно трудно, если не невозможно.

«Покрытие, необходимое для всех видов приложений, которые идут с высокой скоростью, режущие инструменты, глубоководных сверла, добыча нефти и газа, и до биомедицинских приложений», — говорит Ягдиш Нараян, материаловед в Университете штата Северная Каролина.

Чтобы понять, что делает материал прочным, необходимо взглянуть на структуру их кристаллов.

Алмазы образуются из тех же атомов углерода, которые образуют мягкий графит можно найти в сердцевинке любого карандаша. Разница между этими двумя формами углерода заключается в расположении атомов. Графит состоит из листов из атомов углерода, расположенных плоских шестиугольников, которые остаются слабые силы притяжения между каждым слоем.

В алмазе же атомы углерода остаются в форме тетраэдра, что чрезвычайно жесткая. В сочетании с тем, что углерод образует сильные связи, это и рождает твердость алмаза.

Слово «алмаз», «Адамант», «алмаз», «алмаз» происходит от греческого «adamas», что означает нерушимый. Правда, если они высокого давления разрывается и алмаз. Маленькие слабинки, на стекло также могут ослабить, что делает, что алмаз является уязвимым для кариеса.

И это создает для ученых проблемой: как изучать поведение материалов под высоким давлением, если даже тяжелее, встречающийся в природе материал может разрушиться? Нужно найти что-то более устойчив.

Ложная надежда

Вряд ли вас удивит, что поиск сверхтвердого материала начинается с попытки повторить структуру алмаза, но, по правде говоря, не многие элементы, способные взаимодействовать друг с другом таким же образом.

Один из этих материалов на основе нитрида бора. Как углерод, этот синтетический материал это в несколько способов, но вы можете повторить структуру алмаза, в замена атомов углерода атомами азота и бора. Впервые был создан в 1957 году, «кубический нитрид бора», был достаточно жесткий, чтобы поцарапать алмаз — как заявлено изначально. Но последние испытания показали, что этот материал, даже в половину не так твердо, как его аналог в базе углерода.

Течение следующих нескольких десятилетий, породили ряд разочарований, когда ученые начали искать способы, чтобы связать эти три элемента — азота, бора и углерода в различных формах. Тонкие пленки из таких материалов, которые были созданы в 1972 году, были в состоянии создать форму, которая имитирует структуру алмаза, но одним из недостатков является то, что данный процесс включает сложный химический и очень высокая температура для производства. И только в 2001 году алмазоподобный нитрид бора был создан учеными из американской Национальной академии наук Украины в Киеве, вместе со своими коллегами из Франции и Германии. И хотя этот новообнаруженный материал более жесткий, чем у кристаллов нитрида бора, все равно проиграли алмазу.

Тогда, семь лет назад, Чангфенг Чен, физик из Университета штата Невада, и его коллеги из Шанхайского университета Цзяо ТУН в Китае решили, что могут свергнуть алмаз с пьедестала. Подсчитали, что капризный шестиугольного нитрида бора, известной как вюрцит нитрида бора, сможет выдержать на 18% больше давления, чем алмаз. Этот редкий материал аналогичен алмазу и кубическому нитриду бора четырехгранную структуру, только лишь образуются из разных углов. Компьютерное моделирование поведения этого материала под давлением, обнаружили, что некоторые из этих отношений являются гибкими и переориентируют на 90 градусов, они находятся в состоянии напряжения, чтобы его снять.

Хотя связи Diamond так же, реагирующие на давление, вюрцит нитрида бора становится на 80% более жесткий, чем выше давление. Проблема в том, что это очень опасно создавать — для этого придется искусственно создать взрыв, которые имитируют условия высокой температуры и давления, взрывов вулканов. Очевидно, получить в достаточном количестве, было бы очень трудно. Подобные проблемы ограничивают потенциал исследований аналогичного вещества, известного как лонсдейлит, который должен быть в состоянии выдержать на 58% больше давления, чем обычно кристаллы алмаза.

И только в последние годы мы начали видеть некоторые успехи. В 2015 году, Джагдиш Нараян и его коллеги из Университета штата Северная Каролина расплавили некристаллическую форму углерода (стеклоуглерод) быстрый лазерного импульса нагрева до 3700 градусов по Цельсию, и после быстрого охлаждения. Это охлаждение или исчезновение, привело к созданию Q-углерода, странный, но очень прочной аморфной форме углерода. В отличие от других форм углерода, этот магнитный и светится, когда подвергается воздействию света.

Структура этого материала по большей части представлен отношений типа алмаза, но также имеет от 10 до 15 процентов ссылок, графит тип. Испытания показали, что Q-углерод может быть как минимум 60% тверже алмаза, но это еще не завершена окончательно. Настоящие испытания на твердость требуют сравнения образцов с наконечником, который является более жестким, чем у испытуемого материала. Пытается протолкнуть образца Q-углерода две острые наконечники алмазные, появляется проблема: наконечники алмазные деформируются.

И вот где могут быть полезными для других наковальня Дубровинской. Новый материал представляет собой уникальную форму углерода, известный как нанокристаллические шары, и, вместо того, состоять в единой из кристаллической решетки атомов углерода, который состоит из многих небольших отдельных кристаллов — каждый в 11 000 раз меньше, чем толщина человеческого волоса — связанные между собой, слой графена, не менее удивительного материала в один атом углерода толщиной.

Если кристалл алмаз начинает прогибаться при давлении 120 ГПа, новый материал может выдерживать не менее 460 ГПа. Можно даже пережить давления для создания давления до 1000 ГПа. Эти маленькие сферы, более жесткий, чем любое другое известное вещество на планете. Для того, чтобы почувствовать силу, представьте, 3000 взрослых африканских слонов, балансирующих на вилке. «Является самой прочной из всех известных сверхтвердых материалов», — говорит Дубровинская.

Нанокристаллические шары прозрачные, что позволяет им выступать в роли крошечных линз, с помощью которых исследователи могут наблюдать в раздавливаемый материал, с помощью рентгеновских лучей. «Это позволяет нам сжать производители, материал и наблюдать, что происходит», — говорит Дубровинская. — Достижение сверхвысокого давления открывает новые горизонты для более глубокого понимания предмета».

Дубровинская и ее коллеги уже применяют для изучения осмия, из металла, который находится между более устойчивы к сжатию, в мире. Они обнаружили, что осмий может сопротивляться сжатия с давлением свыше 750 ГПа. В этот момент внутренние электроны, которые, как правило, тесно связаны с ядром атома металла и являются очень устойчивыми, начинают взаимодействовать друг с другом. Ученые полагают, что это странное поведение может вызвать переход из твердого металла, ранее неизвестное состояние вещества. Было бы очень интересно изучить свойства осмий при этом приобретает.

Другие наноалмазы просто позволяют создавать новые режущие края резьбы по металлу и камню. В порошкообразной форме, такие наноалмазы находят применение в косметической промышленности, так как обладают высокой впитывающей способностью. Также они легко проникают в кожу, неся с собой активные вещества. Отрасли здравоохранения начинает изучать способы использования наноалмазов для переноса лекарственных средств, например, в процессе химиотерапии в труднодоступных частях тела. Исследования также показали, что наноалмазы могут способствовать росту костей и хрящей.

Что самое любопытное, эта недавняя работа может помочь нам раскрыть некоторые тайны нашей Солнечной системы. В следующем месяце состоится Международная конференция, на которой эксперты обсудят новые возможности. Если в центре Земли давление, считается, что доходит до 360 ГПа, в ядре газового гиганта Юпитера, давление может достигнуть невероятных ГПа 4500.

При этом давлении элементы начинают вести себя странным образом. Водорода в нормальном состоянии, газ начинает вести себя как металл, например, и способна проводить электричество. Дубровинская и Дубровинский надеются, что их другие алмазы могут помочь нам воссоздать космические условия. «Мы можем имитировать внутри планет-гигантов и инопланетян суперземель за пределами нашей Солнечной системы. Я думаю, что это более удивительно то, что мы можем сделать, это с помощью чего-то, что мы можем иметь в руках».

Стекло, может раздавить алмаз: в поисках более твердого материала
Илья Хель