Представления о том, что алмаз — самый прочный материал в природе, уходят в прошлое. Опережает его лонсдейлит — еще одна модификация углерода, очень похожая на алмаз (однако у алмаза атомы углерода упакованы в кубическую решетку, а у лонсдейлита — в гексагональную). Прочнее алмаза, при действии на растяжение, графеновый лист — двумерная структура из атомов углерода, всего один из слоев которых — грифель-графит (именно за открытие графена получили Нобелевскую премию в 2010 году британские физики российского происхождения Андрей Гейм и Константин Новоселов).
А из неуглеродных материалов конкуренцию алмазу мог составить нитрид бора
— вещество, где ближайшие соседи углерода (у одного меньше протонов и электронов, у азота — на один больше) чередуются.
Однако современное материаловедение сильно тем, что способно «играть» не только с составом вещества и взаимным расположением атомов — кристаллической упаковкой, но и переходить на более высокий уровень организации — наночастицы. Свойства материала зависят и от того, насколько маленькие по размеру «зерна», в которые он истерт.
В последнем номере журнала Nature многочисленный коллектив китайских ученых и американских ученых китайского происхождения делится рецептом того, как сделать нитрид бора еще прочнее.
За основу авторы статьи взяли эльбор — кубическую модификацию нитрида бора, больше всего похожую на алмаз и замещающую его сегодня в черновой и финишной обработке деталей в тяжелом машиностроении, автомобилестроении, добывающей промышленности.
Новый материал к тому же обладает впечатляющей комбинацией высочайшей твердости, жесткости и химической стабильности, поэтому авторы надеются на его широкое промышленное применение.
Добиться таких результатов удалось довольно традиционным способом: измельчив зерна материала (так повышается твердость полученного, затем спрессованного композита). Группа физиков под руководством Юнцзюня Тяня из университета Яньшаня в городе Циньхуандао (Китай) разработала специальную синтетическую методику его получения. За основу взята «похожая на лук» слоистая структура нитрида бора — эти слои сжимали под прессом при температуре в 1,6 тыс. градусов. Полученные таким образом образцы «просеяли» через наносито.
Оказалось, что удалось достичь потрясающе низких размеров зерен — 3,8 нм.
Ранее ученым удавалось получить лишь наночастицы размером в 14 нм. Конечно, они пытались измельчить «зерна» сильнее, чтобы создать более твердый материал, однако на этом этапе площадь поверхности частиц оказалась слишком велика, и силы, действующие на этих поверхностях, уже не давали зернам «склеиться» в полноценный материал. Именно эти проблемы преодолевает «луковичная» структура исходного нитрида бора.
Аналогичным образом ученые получили наноструктурированный алмаз с размером частиц 10–30 нм. Если измельчить так сильно удастся и промышленные поликристаллические алмазы, то это вещество вполне может достичь небывалых высот прочности, вернув себе все лавры, считают ученые.
Впрочем, отдаленное будущее может быть отдано тем веществам, которые пока никто не видел. Известный кристаллограф Артем Оганов, профессор Университета штата Нью-Йорк и адъюнкт-профессор МГУ, два года назад предсказал существование новых, пока неизвестных форм углерода hP3, tI12 и tP12, которые должны иметь на 3% более плотную упаковку, чем алмаз, и сравнимую с ним твердость. Форма углерода tP12 будет диэлектриком с необычной для форм углерода шириной запрещенной зоны – 7,3 электрон-вольт.
Кроме того, у новых форм углерода будет очень низкая сжимаемость и высокий показатель преломления, то есть по способности противостоять приложенному давлению и блистать они алмаз превзойдут.
Пока еще эти формы не найдены, но практика показывает, что большая часть «предсказаний», сделанных с помощью методики USPEX, разработанной Огановым, сбывается. Поэтому остается ждать новостей от химиков-синтетиков.