В центре нашей планеты, весом в миллиардов тонн породы надавив сверху создает немыслимые силы, которые более чем в трех миллионов раз выше чем атмосферное давление здесь на поверхности. Тем не менее, в скромном лаборатории на севере Баварии, физик Наталья Dubrovinskaia может превысить даже эти грозные давления в несколько раз, с устройством она может держать в ладони ее руки.
Недавние успехи могли бы иметь широкие последствия от прорывов в медицине до изменения нашего понимания далеких миров
С помощью нескольких точных поворотов на пару винтов в верхней части небольшого металлического цилиндра, она может генерировать давление более чем в три раза больше, чем те, что в ядре Земли. Удивительно, но она и ее коллеги из Университета Байройт обнаружили супер-материал, способный выдерживать эти феноменальные силы. Это настолько трудно, что она способна оставить вмятину в кристаллах алмаза – долгое время считавшимся самым твердым материалом в мире.
Ее новое вещество является кульминацией десятилетий своего рода современной алхимии, который видел ученые Tweak и повозиться с химическими структурами веществ, чтобы изменить их свойства. Это путешествие, которое участвует много фальстартов и тупиков, но последние успехи могут иметь широкий, начиная от последствий прорывов в медицине для изменения нашего понимания далеких миров.
Алмазы при ковке в чрезвычайно высоких температурах глубоко под земной корой, может быть освобожденным только в результате вулканической активности
Давно человечество занимается твердыми материалами и восходит к самым ранним дням нашего вида, когда наши предки использовали твердые камни, чтобы сформировать другие более мягкие камни. Они были позже заменены на более тяжелые металлы до немногим более 2000 лет назад, когда первая сталь была произведена, которая оставалась самым твердым известным материалом, пока ученые не обнаружили алмаз в конце 18-го века.
Несмотря на очевидную привлекательность для ювелирных изделий, наиболее обработанные алмазы используются для создания сверхтвердых покрытий для инструментов и сверл, которые сопротивляются износу.Для горнодобывающей и нефтяной промышленности, такие алмазные инструменты являются неотъемлемой частью их операций – без них они не могли рыть через сотни метров скалы, чтобы достичь ценные ресурсы под землей. “Твердые покрытия необходимы для различных применений, начиная от высокоскоростных машин режущих инструментов, глубоководного бурения, газа и нефтяных исследований в биомедицине,” говорит Джагдиш Нараян, председатель материаловедения в Университете штата Северная Каролина.
Для того, чтобы понять, из чего состоит материал, трудно, нужно посмотреть на атомную структуру его кристаллов.
Алмазы образуются из одних и тех же атомов углерода, которые также составляют мягкий графит, найденный в центре карандашей. Различие между этими двумя формами углерода является расположение атомов. Графит формируется из листов атомов углерода, расположенных в плоских шестиугольников, скрепленных слабыми силами притяжения между каждым слоем.
В алмазах, однако, атомы углерода связаны друг с другом в тетраэдрической формой, которая является чрезвычайно жестким. В сочетании с сильным углеродом в углеродных связей, производить алмаз крайне трудно.
Слово “алмаз” само по себе происходит от древнегреческого Адамас , или нерушимая. Тем не менее, алмаз делает перерыв и крошиться при достаточно высоких давлениях. Мельчайшие дефекты в кристалле также могут ослабить ее, что делает алмаз уязвимой к распаду.
Для ученых, это создает проблему – При изучениях поведения материалов при давлениях выше точки, когда даже самые естественные вещества на планете начинает распадаться? Вам нужно найти что-то сильнее.
Ложная надежда
Возможно, не удивительно, поиски сверхтвердых материалов начинается с попытки повторить структуру алмаза, но есть только несколько элементов, способные связываться друг с другом таким образом.
Одним из таких материалов является нитрид бора. Подобно углероду, этот синтетический материал поставляется в нескольких различных формах, но можно повторить структуру алмаза путем замены атомов углерода с атомами азота и бора. Во-первых создан в 1957 году и известен как кубический нитрид бора, как первоначально сообщалось, достаточно трудно поцарапать алмаз – но надежды, которые быстро притуплены, как более поздние тесты показали, что он меньше, чем половина так сильно, как его основа аналога углерода.
Следующие несколько десятилетий видели вереницу подобных разочарований, как ученые стали искать другие способы сближающие этих трех элементов – азот, бор и углерод – в различных структурах. Тонкие пленки одного такого материала были произведены в 1972 году, тем неменее, создавая формы , которые имитировали структуру алмаза; недостатком было то, что она занимается сложной химией и чрезвычайно высокие температуры для производства. До 2001 года , что алмазо-подобного нитрида бора углерода , как сообщается, был подготовлен учеными Национальной академии наук Украины в Киеве с коллегами во Франции и Германии. Но они нашли в то время новый материал, было труднее, чем кристаллы кубического нитрида бора, это еще не оправдали алмаза.
Тогда, семь лет назад, Changfeng Chen, физик из Университета штата Невада, и его коллеги из университета Shanghai Jiao Tong в Китае, думали , что они попали на то, что может опрокинуть алмаз с пьедестала. Они подсчитали , что причудливое шестиугольная форма нитрида бора, известного как вюрцит бора нитрида будет в состоянии противостоять 18% больше давления, чем алмаз. Этот редкий материал имеет подобную четырехгранную структуру с алмазом и кубического нитрида бора , за исключением формы под разными углами. Компьютерное моделирование показало, как этот материал может вести себя, если положить под давлением предложили некоторые являются гибкими и переориентируют себя на около 90 градусов, в условиях давления, чтобы снять напряжение.
В то время как в алмазе реагируют аналогичным образом на давление, вюрцита нитрида бора становится почти 80% сильнее при более высоких давлениях. Загвоздка в том, что нитрид вюрцит бора довольно опасно создавать – это только происходит естественно в экстремальных температурах и давления вулканических извержений и должен быть создан синтетически при взрывах, которые имитируют эти условия, а это означает, что, как известно, трудно получить в достаточных количествах и это еще предстоит проверить. Аналогичные проблемы имеют ограниченный потенциал изучение родственного вещества, известного как лонсдейлита, который должен быть в состоянии выдержать до 58% больше давления, чем стандартные кристаллы алмаза.
Нанокристаллические алмазные шарики, такие как этот, полагают, самый твердый материал, известный человечеству (Наталья Dubrovinskaia и др / Научные достижения)
Только в течение последних нескольких лет, мы, наконец, видим некоторые прорывы. В 2015 году Джагдиш Нараян, и его коллеги из Университета штата Северная Каролина показали, что они расплавили некристаллического форму углерода, известного как стеклоуглерод быстрым лазерным импульсом, нагревая его до 3,700C (6690F) перед быстрым охлаждением его. Это охлаждение или гашение, привел к названию Q-углерод. То, что они произвели было странное, но исключительно сильная аморфная форма углерода. В отличие от других форм углерода, то магнитная и светится при воздействии света.
Структура самого материала, в основном изготовлен из алмаза, но также имел приблизительно от 10 до 15% соединения графита. Испытания исследовательской группы предполагают, Q-углерод может быть по меньшей мере на 60% тяжелее, чем алмаз, но это еще не окончательно подтверждена. Правда испытания на твердость требуют образцы с отступом с точкой, которая является более твердым, чем исследуемое вещество. Когда кусок образца Q-углерод между двумя шлифованными алмазным, это создает проблему.”Алмазные наконечники деформируется в процессе измерения твердости Q-углерода,” сказал Нараян.
Именно здесь сверхтвердых наковален Dubrovinskaia вступают в картину. Ее новый материал является уникальной формой углерода, известного как нанокристаллических алмазных шариков, и вместо того, чтобы сделанный из цельного кристаллической решетки атомов углерода, как драгоценными камнями для обручальных колец, она состоит из множества крошечных отдельных кристаллов – каждый 11 000 раз меньше ширины человеческого волоса – которые связаны друг с другом слоем графена, чудо-материал, изготовленный из углеродного слоя толщиной в один атом.