Супермен среди материалов
Он тверже алмаза, прочнее стали, замечательно упруг, горит только при очень высокой температуре. Его открыли двадцать лет назад, но получали до сих пор с большими трудностями. И вот недавно случился настоящий прорыв. Ученые из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов в Троицке, МФТИ и МИСиС первыми в мире нашли способ с легкостью синтезировать фуллерит в любых количествах.
В поисках вещества
Мягкий, пачкающий пальцы графит, прозрачный алмаз, двумерный графен… Они очень разные, но их объединяет одно — углерод. Его атомы способны соединяться в различные структуры и образовывать материалы, совершенно не похожие друг на друга.
Одно из порождений углерода — фуллерен, блестящий черный порошок. Его молекула похожа на футбольный мяч: 12 пятиугольников, 20 шестиугольников и атом углерода на каждой из вершин. Они прижимаются друг к другу теснее, чем атомы в алмазе, и образуют еще более плотную кристаллическую решетку.
CАМЫЕ ИЗВЕСТНЫЕ ФОРМЫ УГЛЕРОДА
Алмаз. Каждый атом углерода в его структуре расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома.
Графит. Атомы углерода в его решетке расположены слоями, состоящими из шестиугольников. Найти его легко: посмотрите на грифель своего карандаша.
Лонсдейлит. Впервые был обнаружен на месте падения метеорита Каньон-Дьябло. Под давлением он способен становиться одним из самых твердых и жестких материалов. Впрочем, недавно в журнале Nature появилась статья о том, что лонсдейлита… не существует. Мол, на самом деле это обычный деформированный алмаз.
Карбин. Атомы углерода здесь объединены в длинные цепочки, сложенные параллельно друг другу. Выглядит карбин как мелкий черный порошок.
Фуллерены. Это похожие на футбольные мячи многогранники, состоящие из атомов углерода. Название они получили в честь американского изобретателя Ричарда Фуллера, создавшего геодезический купол с ячеистой структурой.
Уголь. В зависимости от количества углерода в своем составе делится на виды: бурый, каменный, антрацит. Максимальное содержание С — 95%. Состоит из беспорядочно расположенных частичек графита и примесей. При горении выделяет углекислый газ.
Углеродная нанопена. Образуется при нагревании углерода до 10 000° Цельсия, в результате чего тот превращается в мельчайшую сетку из сгустков атомов.
Графен. Представляет собой плоский кристалл, состоящий из слоя атомов углерода, объединенных в шестиугольники наподобие пчелиных сот.
Нанотрубки и нановолокна. Первые получаются при сворачивании в трубочку плоского, как бумажный лист, графена, а вторые — при сворачивании его же в конусы. Из нанотрубок состоит самый черный в мире материал — вантаблэк.
Молекулы фуллерена стали основой фуллерита. Тот в нормальном состоянии мягкий, но благодаря определенной химической реакции становится тверже алмаза.
— Первые образцы мы получили еще в 1994 году, — рассказывает директор Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов профессор Владимир Бланк. — Но производство требовало подачи давления 200 тысяч атмосфер, как при взрыве бомбы. При таких условиях о промышленных масштабах не могло быть и речи. Они были пригодны только для лабораторных испытаний.
Катализатор, способный запустить процесс превращения фуллерена в фуллерит при более низком давлении и температуре, исследователи искали почти два десятка лет.
Деликатный материал
Столь необходимым катализатором стал сероуглерод — CS2. Для реакции с фуллеритом ему нужны скромные условия — 750° Цельсия и давление15–30 тысяч атмосфер. По промышленным меркам — ерунда.
— Молекула фуллерена обладает исключительной жесткостью. Поэтому, если вы поместите его в обычную стеклянную колбу и начнете там растирать, он поцарапает стекло, и частицы стекла попадут в материал, это плохо. Если вы поместите его в стальной сосуд, то частицы металла тоже обязательно попадут в фуллерен, и чистота эксперимента будет нарушена, — объясняет профессор Бланк.
Но стоит добавить в фуллерен каплю CS2, как его уже можно без опасений размешать и поместить в аппарат высокого давления. Сероуглерод разваливается на атомы углерода и серы, которые присоединяются к молекулам фуллерена и формируют ковалентные связи. Начинается главное: 3D-полимеризация.
И молоток ему нипочём
Алмаз считается эталоном твердости. Он оставляет царапины на всем, а его может поцарапать только фуллерит и еще несколько веществ. Похоже на игру «камень — ножницы — бумага». Но есть еще такое понятие, как прочность. Это способность выдерживать механические воздействия типа удара молотком.
— Оказалось, что фуллерит обладает и высокой твердостью, и прочностью, и упругостью, — говорит Владимир Бланк. — Это действительно очень необычное сочетание. Мы сравнили образцы с титановыми сплавами, и оказалось, что фуллерит им не уступает.
Почему полиэтиленовый пакет такой прочный и плохо рвется? В его молекулах два атома углерода соединены между собой ковалентной связью. То есть они делятся друг с другом электронами, чтобы каждый мог иметь полноценную электронную оболочку. Они как бы владеют ими сообща. Сила притяжения, которая возникает при таком обмене, удерживает атомы вместе. Связь получается очень прочная, а цепочки из атомов выстраиваются длинные и упругие.
У фуллерита все точно так же. Только, в отличие от полиэтилена, он не имеет атомов водорода. Но ему все равно. Суть трехмерной полимеризации в том, что молекулярные цепочки начинают расти во всех направлениях и становятся очень длинными. За счет способности атомов выстраивать такие цепи фуллерит упруг, несмотря на жесткость своей решетки.
— Там другая ситуация с точки зрения механики разрушения. В отличие от алмаза, в ультратвердом фуллерите атомы выстраиваются не в пирамиды, а в пентагоны — кольца с пятью атомами. И в этом смысле скорее можно говорить об аморфных материалах как о неких аналогах — это смола, пластмасса, полиэтилен, — рассказывает профессор Бланк.
Поэтому ультратвердый фуллерит такой необычный.
— А в огне фуллерит горит?
— Больше всего меня поразил именно тест на термостойкость. Оказалось, что фуллерит не окисляется даже при температуре 1300° Цельсия. Алмаз начинает окисляться температуре 900°. 1300° — это значит, им уже можно облицовывать камеры сгорания. Мы продолжим испытания до 2400°.
— Выкладывайте все. Какие у него еще удивительные свойства?
— Ну, у фуллерита высокая устойчивость и к радиационному облучению. Он держится при таких дозах, когда алмаз начинает разрушаться.
— Может быть, он еще и в воде не тонет?
— Увы. Он, конечно, легче алмаза, но тяжелее воды.
Все из стали
Установка для производства фуллерита занимает целую комнату. Здесь все из стали. Стальной пресс весом 2,5 тысячи тонн, стальная полулитровая банка, в которой происходит непосредственно полимеризация, однослойные стальные камеры спекания и тяжеленные стальные блины — формы, в которые засыпают фуллерен.
Это установка уже не лабораторная, а опытно-промышленная. Если первые образцы были размером от 2 до 5 миллиметров в диаметре, потом чуть больше, то на этой установке можно будет получать изделия размером с суповую чашку. По словам профессора Бланка, у института есть уже два инвестора-заказчика, которые готовы вкладываться в производство и приобретать готовый фуллерит.
— Где этот материал сможет пригодиться?
— Есть огромный выбор вариантов. Например, при различных добавках мы получаем из него особо устойчивую керамику.
В конечном итоге, считают исследователи, из фуллерита можно делать так называемые умные материалы. Они способны самостоятельно подстраиваться под изменения условий — температура, ток, давление — и не разрушаться. В таком случае, может быть, удастся получить еще более твердые материалы? Есть ли у твердости предел?
— Строго говоря, предела нет, — считает профессор Бланк. — Твердость определяется количеством атомов на объем вещества, энергией связи между этими атомами и их конфигурацией. Чисто теоретически можно предположить, что при каком-то очень высоком давлении взаимодействие между атомами вообще изменится. Какая же тогда получится твердость? Какой материал? Я даже себе представить не могу.
Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №1-2 (03-04) январь-февраль 2015 г.
Подписаться на «Кота Шрёдингера»
