Открыта новая стабильная форма углерода

В Институте Карнеги (США) получена новая форма очень твёрдых углеродных кластеров. Новый материал, совмещающий в себе элементы аморфной и кристаллической структур, неожиданно оказался твёрже алмаза. Отчёт об открытии опубликован в журнале Science.

Слева — фуллерены и ксилол до сдавливания; справа — итоговый продукт. Как видно, растворитель вошёл в состав «продукта», подтверждая свою ключевую функцию. (Здесь и ниже иллюстрации Carnegie Institution of Washington.)

Углерод — четвёртый по распространённости элемент во Вселенной; он существует во множестве форм: похожий на пчелиные соты графен, «карандашный» графит, твёрдый алмаз, цилиндрические нанотрубки и, наконец, полые фуллерены. Некоторые из форм углерода — кристаллические, что означает существование упорядоченной элементарной структуры (ближний порядок), повторяющейся во всех трёх измерениях (дальний порядок). Другие формы — аморфные, что в общем случае свидетельствует об отсутствии дальнего порядка. Безусловно, можно вообразить существование и своего рода гибридных продуктов, совмещающих элементы как кристаллической, так и аморфной структуры. Правда, в реальной жизни ничего такого (для углерода) до сих пор получено не было, хотя наука никогда не отрицала принципиальной возможности создания «гибридов».

Сотрудники Института Карнеги неожиданно для себя умудрились закрыть этот пробел, а начинали они с приготовления фуллеренов С₆₀, в пространство между которыми внесли органический растворитель ксилол. Затем полученную систему спрессовали, чтобы всего лишь посмотреть на последствия стресса такого сорта. (Сложно представить, что именно учёные ожидали увидеть… Быть может, им не давали покоя лавры первооткрывателей графена?..)

При относительно низком давлении фуллерены сохраняли стойкость конструкции, однако при дальнейшем увеличении силы сдавливания фуллереновые структуры разрушались с образованием более аморфных кластеров. При этом сами кластеры продолжали занимать вполне определённые места, образуя подобие кристаллической решётки.

Помимо обнаружения новой формы углерода, учёные определили, что её получение возможно только в очень узком интервале давлений (~320 000 атмосфер), при которых углеродная структура образуется и не возвращается в исходное фуллереновое состояние после снятия стресса. Материал испытали на сдавливание в алмазной наковальне; при этом вмятина совершенно неожиданно осталась на самом алмазе, а это значит, что открыта новая сверхтвёрдая форма углерода.

Микрофотография основания алмазной наковальни. Стрелочки указывают на оставленные новым материалом на алмазе повреждения, возвещая об открытии новой сверхтвёрдой формы углерода.

Какова роль ксилола? Оказывается, ключевая. В процессе сдавливания фуллеренов при отсутствии растворителя материал терял свою кристаллическую периодичность. А поскольку существует множество похожих на ксилол растворителей, то теоретически возможно создание целого набора новых чуть различающихся углеродных аморфно-кристаллических решёток простым сдавливанием.

Интересно, что, по аналогии с самим алмазом, новая структура, полученная при высоких давлениях, совершенно стабильна в нормальных условиях и может найти практическое применение в самых разных областях.

Подготовлено по материалам Института Карнеги.