Wetenschap
Model van fulleriet in diamant. Krediet:A. Kvashnin
Natuurkundigen hebben de structuur van een nieuw materiaal op basis van fulleriet en monokristallijn diamant gesimuleerd om te laten zien hoe dit materiaal een ultrahoge hardheid kan verkrijgen. Deze ontdekking biedt mogelijke voorwaarden voor het verkrijgen van ultraharde materialen. De resultaten zijn gepubliceerd in Koolstof .
Fulleriet is een moleculair kristal met fullereenmoleculen op de roosterknooppunten. Fullereen is een bolvormig molecuul van koolstofatomen. Het werd meer dan 30 jaar geleden voor het eerst gesynthetiseerd, en de ontdekking ervan werd bekroond met de Nobelprijs. Koolstofbolletjes in fulleriet kunnen op verschillende manieren worden verpakt, en de hardheid van het materiaal hangt sterk af van hoe de fullerenen met elkaar verbonden zijn. Een team van Russische wetenschappers heeft nu uitgelegd waarom fulleriet een ultrahard materiaal wordt.
Alexander Kvashnin, Kandidaat Natuurkunde en Wiskunde, de hoofdauteur, zei, "Toen we dit idee begonnen te bespreken, Ik werkte bij TISNCM. Daar, in 1998, een groep wetenschappers onder leiding van Vladimir D. Blank verkreeg een nieuw materiaal op basis van fullerenen:ultrahard fullerite, of 'tisnum'. Volgens de metingen, dit nieuwe materiaal zou diamant kunnen krassen - het was, in feite, harder dan diamant."
De stof was geen monokristallijn materiaal; het bevatte amorfe koolstof en 3-D-gepolymeriseerde moleculen van C60. Nog altijd, de kristalstructuur is nog niet volledig begrepen. Het fullereenmolecuul heeft een uitstekende mechanische stijfheid. Tegelijkertijd, het fullerietkristal is onder normale omstandigheden een zacht materiaal, maar wordt harder dan diamant onder druk (vanwege de 3D-polymerisatie). Hoewel dit materiaal al meer dan 20 jaar wordt gesynthetiseerd en bestudeerd, de reden waarom het ultrahard wordt, is nog onbekend. Er is een aantal modellen ontwikkeld om uit te leggen hoe fullerenen kunnen worden gepolymeriseerd tot fulleriet.
(Links) Molecuul van fullereen, (middelste) fulleriet, (rechts) gepolymeriseerd fulleriet (SH-fase). Krediet:MIPT
Een van de modellen werd voorgesteld door prof. Leonid A. Chernozatonskii. Het röntgendiffractiepatroon van het model komt perfect overeen met experimentele gegevens, en moet een hoge volumetrische bulkmodulus hebben, meerdere malen hoger dan de diamantwaarde. Maar de ontspannen structuur van het model vertoont niet zulke fascinerende eigenschappen.
Alexander Kvashnin zei:"We hebben onze analyse gebaseerd op dat model en het experimenteel bekende feit dat als je meer dan 10 GPa druk uitoefent op fullereenpoeder en het boven 1800 K verwarmt, je krijgt een polykristallijne diamant. Het idee was om deze twee feiten te combineren. Aan de ene kant, een superhard fulleriet materiaal, en aan de andere kant, onder druk, fullerenen veranderen in een polykristallijne diamant."
De wetenschappers suggereerden dat onder druk, een deel van het fulleriet veranderde in diamant, terwijl het andere deel als fulleriet in een samengeperste toestand in de diamant bleef. Om het model te vereenvoudigen, de door Prof. Chernozatonskii voorgestelde fulleriet-kristalstructuur werd in een enkele kristaldiamant geplaatst. De onderzoekers bestudeerden dit composietmateriaal vervolgens. Het idee was dat fulleriet in diamant gecomprimeerd moest worden. Het is bekend dat in de gecomprimeerde toestand, de elastische en mechanische eigenschappen van het materiaal nemen toe. En diamant zou fungeren als een schelp, het gecomprimeerde fulleriet binnenin houden om al die eigenschappen te behouden. In de studie, ze analyseerden eerst kleine modellen met 2,5 nm fullerietkorrel in de 1 nm dikke diamanten schaal. Echter, zo'n klein model voldeed niet aan de experimentele gegevens. Toen begonnen de onderzoekers met het modelleren van de composieten, waar de grootte van fulleriet werd vergroot tot 15,8 nm, en de dikte van de diamantschelp bleef hetzelfde. De veranderingen in het röntgendiffractiespectrum toonden aan dat de toename van de fullerietgrootte het spectrum dichter bij de experimentele gegevens bracht. Na vergelijking van de spectra, werd aangenomen dat het meest waarschijnlijk in het experiment, ze hadden een amorf koolstofmedium verkregen met een hydrostatisch gecomprimeerd fulleriet erin, terwijl het model te maken had met een diamant met fulleriet erin. Volgens het berekende spectrum, het nieuwe model correleerde zeer goed met de experimentele gegevens.
"Het ontwikkelde model zal ons helpen de aard van zijn unieke eigenschappen te begrijpen en de nieuwe ultraharde koolstofmaterialen systematisch te synthetiseren, en bij te dragen aan de verdere ontwikkeling van dit veelbelovende wetenschapsgebied, " zei Pavel Sorokin, projectleider (TISNCM, MIS, MIPT).
Fulleriet zelf is niet erg moeilijk; de bulkmodulus is 1,5 keer minder dan die van diamant. Maar als het gecomprimeerd is, de bulkmodulus neemt dramatisch toe. Om deze verbeterde bulkmodulus te behouden, de fulleriet moet altijd in zo'n gecomprimeerde staat blijven. Met behulp van de resultaten van simulaties, de wetenschappers kunnen gerichte experimenten uitvoeren om een ultrahard materiaal te verkrijgen.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com