1. У пошуках речовини
2. Найдешевші ВІДОМІ ФОРМИ ВУГЛЕЦЮ
3. делікатний матеріал
4. І молоток йому байдуже
5. Всі зі сталі

Наш бизнес-партнер Bikinika.COM.UA

Він твердіші за алмаз, міцніший за сталь, чудово пружний, горить тільки при дуже високій температурі. Його відкрили двадцять років тому, але отримували досі з великими труднощами. І ось недавно трапився справжній прорив. Вчені з Технологічного інституту надтвердих і нових вуглецевих матеріалів в Троїцьку, МФТІ і МІСіС першими в світі знайшли спосіб з легкістю синтезувати фуллерит в будь-яких кількостях.

У пошуках речовини

М'який, бруднити пальці графіт, прозорий алмаз, двовимірний графен ... Вони дуже різні, але їх об'єднує одне - вуглець. Його атоми здатні з'єднуватися в різні структури і утворювати матеріали, абсолютно не схожі один на одного.

Одне з породжень вуглецю - фулерен, блискучий чорний порошок. Його молекула схожа на футбольний м'яч: 12 п'ятикутників, 20 шестикутників і атом вуглецю на кожній з вершин. Вони туляться один до одного тісніше, ніж атоми в алмазі, і утворюють ще більш щільну кристалічну решітку.

Найдешевші ВІДОМІ ФОРМИ ВУГЛЕЦЮ

Алмаз. Кожен атом вуглецю в його структурі розташований в центрі тетраедра, вершинами якого служать чотири найближчих атома.

Графіт. Атоми вуглецю в його решітці розташовані шарами, що складаються з шестикутників. Знайти його легко: подивіться на грифель свого олівця.

Лонсдейліт. Вперше був виявлений на місці падіння метеорита Каньйон-Дьябло. Під тиском він здатний ставати одним з найбільш твердих і жорстких матеріалів. Втім, нещодавно в журналі Nature з'явилася стаття про те, що лонсдейліта ... не існує. Мовляв, насправді це звичайний деформований алмаз.

Карбин. Атоми вуглецю тут об'єднані в довгі ланцюжки, складені паралельно один одному. Виглядає карбин як невеликий чорний порошок.

Фулерени. Це схожі на футбольні м'ячі багатогранники, що складаються з атомів вуглецю. Назва вони отримали на честь американського винахідника Річарда Фуллера, який створив геодезичний купол з комірчастою структурою.

Вугілля. Залежно від кількості вуглецю в своєму складі ділиться на види: буре, кам'яне, антрацит. Максимальний вміст С - 95%. Складається з безладно розташованих частинок графіту і домішок. При горінні виділяє вуглекислий газ.

Вуглецева нанопіна. Утворюється при нагріванні вуглецю до 10 000 ° за Цельсієм, в результаті чого той перетворюється в найменшу сітку з згустків атомів.

Графен. Являє собою плоский кристал, що складається з шару атомів вуглецю, об'єднаних в шестикутники на зразок бджолиних сот.

Нанотрубки і нановолокна. Перші виходять при згортанні в трубочку плоского, як паперовий лист, графена, а другі - при згортанні його ж в конуси. З нанотрубок полягає найчорніший у світі матеріал - вантаблек.

Молекули фулерену стали основою фуллерита. Той в нормальному стані м'який, але завдяки певній хімічній реакції стає твердіше за алмаз.

- Перші зразки ми отримали ще в 1994 році, - розповідає директор Технологічного інституту надтвердих і нових вуглецевих матеріалів професор Володимир Бланк. - Але виробництво вимагало подачі тиску 200 тисяч атмосфер, як під час вибуху бомби. При таких умовах про промислових масштабах не могло бути й мови. Вони були придатні тільки для лабораторних випробувань.

Каталізатор, здатний запустити процес перетворення фуллерена в фуллерит при більш низькому тиску і температурі, дослідники шукали майже два десятка років.

делікатний матеріал

Настільки необхідним каталізатором став сірковуглець - CS2. Для реакції з фуллеритом йому потрібні скромні умови - 750 ° за Цельсієм і давленіе15-30 тисяч атмосфер. За промисловим мірками - дурниця.

- Молекула фулерену має виняткову жорсткістю. Тому, якщо ви помістіть його в звичайну скляну колбу і почнете там розтирати, він подряпає скло, і частинки скла потраплять в матеріал, це погано. Якщо ви помістіть його в сталевий посудину, то частки металу теж обов'язково потраплять в фулерен, і чистота експерименту буде порушена, - пояснює професор Бланк.

Але варто додати в фуллерен краплю CS2, як його вже можна без побоювань розмішати і помістити в апарат високого тиску. Сірковуглець розвалюється на атоми вуглецю і сірки, які приєднуються до молекул фулерену і формують ковалентні зв'язки. Починається головне: 3D-полімеризація.

І молоток йому байдуже

Алмаз вважається еталоном твердості. Він залишає подряпини на всьому, а його може подряпати тільки фуллерит і ще кілька речовин. Схоже на гру «камінь - ножиці - папір». Але є ще таке поняття, як міцність. Це здатність витримувати механічні дії типу удару молотком.

- Виявилося, що фуллерит володіє і високу твердість, і міцністю, і пружністю, - каже Володимир Бланк. - Це дійсно дуже незвичайне поєднання. Ми порівняли зразки з титановими сплавами, і виявилося, що фуллерит їм не поступається.

Чому поліетиленовий пакет такий міцний і погано рветься? У його молекулах два атоми вуглецю з'єднані між собою ковалентним зв'язком. Тобто вони діляться один з одним електронами, щоб кожен міг мати повноцінну електронну оболонку. Вони як би володіють ними спільно. Сила тяжіння, яка виникає при такому обміні, утримує атоми разом. Зв'язок виходить дуже міцна, а ланцюжка з атомів шикуються довгі і пружні.

У фуллерита все точно так же. Тільки, на відміну від поліетилену, він не має атомів водню. Але йому все одно. Суть тривимірної полімеризації в тому, що молекулярні ланцюжки починають рости у всіх напрямках і стають дуже довгими. За рахунок здатності атомів вибудовувати такі ланцюга фуллерит пружний, незважаючи на жорсткість своєї решітки.

- Там інша ситуація з точки зору механіки руйнування. На відміну від алмаза, в ультратвердом Фуллер атоми шикуються не в піраміди, а в Пентагоні - кільця з п'ятьма атомами. І в цьому сенсі радше можна говорити про аморфних матеріалах як про деяких аналогах - це смола, пластмаса, поліетилен, - розповідає професор Бланк.

Тому ультратвердий фуллерит такий незвичайний.

- А в вогні фуллерит горить?

- Найбільше мене вразив саме тест на термостійкість. Виявилося, що фуллерит що не окислюється навіть при температурі 1300 ° Цельсія. Алмаз починає окислюватися температурі 900 °. 1300 ° - це значить, їм вже можна облицьовувати камери згоряння. Ми продовжимо випробування до 2400 °.

- Викладайте все. Які у нього ще дивовижні властивості?

- Ну, у фуллерита висока стійкість і до радіаційного опромінення. Він тримається при таких дозах, коли алмаз починає руйнуватися.

- Може бути, він ще і в воді не тоне?

- На жаль. Він, звичайно, легше алмаза, але важча за воду.

Всі зі сталі

Установка для виробництва фуллерита займає цілу кімнату. Тут все зі сталі. Сталевий прес вагою 2,5 тисячі тонн, сталева півлітрова банка, в якій відбувається безпосередньо полімеризація, одношарові сталеві камери спікання і важезні сталеві млинці - форми, в які засипають фуллерен.

Це установка вже не лабораторна, а дослідно-промислова. Якщо перші зразки були розміром від 2 до 5 міліметрів в діаметрі, потім трохи більше, то на цій установці можна буде отримувати вироби розміром з супову чашку. За словами професора Бланка, у інституту є вже два інвестори-замовника, які готові вкладатися в виробництво і купувати готовий фуллерит.

- Де цей матеріал зможе стати в нагоді?

- Є величезний вибір варіантів. Наприклад, при різних добавках ми отримуємо з нього особливо стійку кераміку.

В кінцевому підсумку, вважають дослідники, з фуллерита можна робити так звані розумні матеріали. Вони здатні самостійно підлаштовуватися під зміни умов - температура, струм, тиск - і не руйнуватися. У такому випадку, можливо, вдасться отримати ще більш тверді матеріали? Чи є у твердості межа?

- Строго кажучи, межі немає, - вважає професор Бланк. - Твердість визначається кількістю атомів на обсяг речовини, енергією зв'язку між цими атомами і їх конфігурацією. Чисто теоретично можна припустити, що при якомусь дуже високому тиску взаємодія між атомами взагалі зміниться. Яка ж тоді вийде твердість? Який матеріал? Я навіть собі уявити не можу.

Опубліковано в журналі «Кот Шредінгера» №1-2 (03-04) січень-лютий 2015 р

Підписатися на «Кота Шредінгера»