Новости общества

В центре нашей планеты породы весом в миллиарды тонн создают силу, которая в три миллиона раз превышает атмосферное давление на поверхности. Тем не менее, на вершине своей скромной лаборатории на севере Баварии физик Наталья Дубровинская может превышать даже, что это безумно давление в несколько раз, благодаря устройству, которое умещается у нее в руке.

Несколько точных ходов винтов в верхней части малого цилиндра — и она может создать давление, в три раза больше, чем давление в ядре Земли. Удивительно, но вместе с коллегами из Университета Байройт показал удивительный материал, способный выдерживать этот феноменальный силу. Он настолько хорош, что может оставить брешь в кристалл алмаза, который долгое время считался самым твердым материалом в мире.

Ее новое вещество — это кульминация десяти поисков современных алхимиков, ученых, которые химичили и возились с химической структурой веществ, пытаясь адаптироваться и изменять их свойства, необходимо способ. Это путешествие, в котором было много фальстартов и тупиков. Но последние достижения ученых могут иметь более широкие последствия, от открытий в медицине до изменения нашего понимания дальних миров.

Любовь человечества на твердых материалах, начиная с первого дня нашего вида, когда наши предки начали использовать твердые породы, чтобы дать вид другим более мягким камням, делая из них ножа. Постепенно их заменяли все более и более твердыми металлами, в то время как около 2000 лет не выпустила первую сталь. Она осталась сильнейший известный материал до 18. века, а затем, ученые обнаружили, что могут покрыть инструменты бриллиантами.

Несмотря на очевидную привлекательность для ювелирных изделий, большинство обработанных алмазов используется для создания сверхтвердых износостойких покрытий для инструментов и сверла. В горнодобывающей и нефтяной промышленности, а также алмазные инструменты просто необходимы — без них прорваться через сотни метров пород на основе ресурсов в глубине Страны, было бы чрезвычайно трудно, если это вообще возможно.

«Плотно крышку необходимо для всех видов применения, начиная от простых режущих инструментов, научные сверла, добычи газа и нефти и заканчивая биомедицинских применения», — говорит Ягдиш Нараян, главный материаловед в Университете штата Северная Каролина.

Чтобы понять, то, что делает вещи трудно, вы должны выглядеть на атомной структуры его кристаллов.

Алмазы образуются из тех же атомов углерода, которые образуют мягкий графит — можно найти в сердцевинке было ручки. Разница между этими двумя формами углерода в расположении атомов. Графит формируется из листов атомов углерода, который находится в квартире шестиугольников, которые удерживаются слабыми силами притяжения между каждого слоя.

В алмазе же атомы углерода проходят в форме тетраэдра, которое является крайне тяжелым. В сочетании с тем, что углерод образует прочные связи, это и порождает твердость алмаза.

Слово «алмаз», «адамант», «алмаз», «алмаз» происходит от греческого «адамас», что означает несокрушимый. Правда, под достаточно высоким давлением ломает и алмаз. Небольшой слабинки в кристалл также могут ослабить его, что делает алмаз уязвимы к распаду.

И это создает для ученых проблема: как узнать поведение материала под высоким давлением, даже если это трудно, встречающийся в природе материал можно сломать? Нужно найти что-то более постоянное.

Ложная надежда

Вряд ли вас удивит, что поиск сверхтвердого материала начинается с попытки повторить структуру алмаза, но, по правде говоря, существует не так много элементов, которые могут взаимодействовать между собой таким же образом.

Один из таких материалов — нитрид бора. Как углероду, этот синтетический материал в несколько форм, но вы можете повторить структуру алмаза, в результате замены атомов углерода атомами азота и бора. Впервые созданный в 1957 году. году «кубический нитрид бора» был достаточно твердым, чтобы оцарапать алмаз — как говорится в начале. Но последующие испытания показали, что этот материал, даже и в половину не так же трудно, как и его аналог на основе углерода.

Ближайшие несколько десятилетий породили множество разочарований, когда ученые начали искать способы, чтобы связать эти три элемента — азот, бор и углерод в различных формах. Из тонких пленок одного из таких материалов, которые были созданы в 1972 году. года, были в состоянии создать форму, имитирующую структуру алмаза; но из недостатков является то, что процесс включает в себя сложную химии и чрезвычайно высокой температуры, для производства. И только в 2001 году. год алмазоподобный нитрид бора был создан, ученые Национальной академии наук Украины в Киеве, в сотрудничестве с коллегами из Франции и Германии. И хотя этот новообнаруженный материал был тверже кристаллов кубического нитрида бора, он еще потерял алмазу.

Тогда, семь лет назад, Чангфенг Чан, физик из Университета Невады, и его коллеги из Шанхайского университета Цзяо Тун в Китае решили, что смогут свергнуть алмаз с пьедестала. Они подсчитали, что причудливые шестигранная форма нитрида бора, известной как вюрцит нитрида бора, может выдержать на 18% больше давления, чем алмаз. Этот редкий материал имеет аналогичную алмазу и кубическому нитриду бора четырехгранную структуру, только потому, что формируется под разными углами. Компьютерное моделирование поведения материалов под давлением показало, что некоторые из этих соединений являются гибкими и переориентируют на 90 градусов, в условиях стресса, чтобы его снять.

Хотя из-за алмазов подобным образом реагируют на давление, вюрцит нитрида бора становится 80% более упругой на более высоком давлении. Загвоздка в том, что его очень опасно создавать — для этого придется искусственно создать взрывы, которые имитируют условия высокой температуре и давления вулканических взрывов. Очевидно, что их в достаточном количестве, что будет очень трудно. Аналогичные проблемы ограничивают потенциал исследований подобного вещества, известный как лонсдейлит, которая должна быть в состоянии выдержать на 58% больше давления, чем обычные кристаллы алмаза.

И только в последние годы мы стали наблюдать некоторые прорывы. В 2015. год Джагдиш Нараян и его коллеги из Университета в Северной Каролине расплавили некристаллическую форму углерода (стеклоуглерод) быстрый лазерный импульс, отопление до 3700 градусов по Цельсию, а после быстро охладили. Это охлаждение, или отмена, привело к созданию Q-углерода, странной, но чрезвычайно прочный аморфной формы углерода. В отличие от других форм углерода, это магнитные и светится при воздействии света.

Структура этого материала в большей части представлен связей алмазного типа, но также имеет от 10 до 15 процентов общего графитного типа. Испытания показали, что Q-углерод может быть не менее 60% прочнее алмаза, но это еще должны утвердить окончательно. Реальные испытаний на твердость, требующие сравнения образцов с наконечником, который труднее кандидата материалов. Пытаясь продавить форма Р-углерода, два указал алмазными наконечниками, появляется проблема: алмазный советы были деформированы.

И здесь-это может быть полезно, сверхтвердые наковальни Дубровинской. Ее новый материал является уникальная форма углерода, известный как нанокристаллические алмазные шары, и, вместо того, что состоит из одной кристаллической решетке атомов углерода, он состоит из множества мелких одиночных кристаллов — каждый в 11 000 раз меньше толщины человеческого волоса — в связи между собой слоем графена, не менее удивительного материала в один атом углерода толщиной.

Если алмаз кристалл начинает признаются, когда давление в 120 Гпа, новый материал может выдерживать не менее 460 Гпа. Он даже может выжить сдавливание для создания давления до 1000 Гпа. Эти маленькие сферы сложнее, чем любые другие известные вещества на планете. Почувствовать свою силу, представьте себе 3000 взрослых африканских слонов, балансирующих на одной пятки. «Это твердый из всех известных сверхтвердых материалов», говорит Дубровинская.

Нанокристаллические алмазные шары и прозрачные, что позволяет им выступать в роли мелких линз, через которые исследователи могут заглянуть в раздавливаемый материал, с помощью рентгеновского излучения. «Это позволяет нам сдавливать исследуемый материал и смотреть, — говорит Дубровинская. — Достижение очень высокое давление, открывает новые горизонты для более глубокого понимания материи».

Дубровинская и ее коллеги уже применили для обучения осмия, металла, который является одним из наиболее устойчивых на давление в мире. Они обнаружили, что осмий может противостоять давление, давление более 750 Гпа. В данный момент внутренние электроны, которые, как правило, тесно связаны с ядрами атомов металлов и являются очень стабильными, начинают общаться между собой. Ученые считают, что это странное поведение может привести к переход металла из твердого в ранее неизвестное состояние материи. Было бы очень интересно исследовать, какие свойства осмий в этом приобретает.

Сверхтвердые наноалмазы просто позволяют создавать новые полотна для резьбы из металла и камня. В порошкообразной форме, как наноалмазы находят применение в косметической промышленности, так как имеют высокую способность впитывающей. Они также легко впитывается в кожу, неся с собой активные вещества. Медицинская промышленность начинает изучать способы использования наноалмазов для передачи лекарств, например, в ходе химиотерапии в отдаленных частях тела. Исследования также показали, что наноалмазы могут способствовать росту костей и хрящей.

Что самое любопытное, эта недавняя работа может помочь нам раскрыть некоторые тайны нашей Солнечной системы. В следующем месяце состоится международная конференция, на которой эксперты обсудят новые возможности. Если в центре Земли давление, считается, что доходит до 360 Гпа, в ядре газового гиганта Юпитера давление может достигать удивительных 4500 Гпа.

В таком давлении элементы начинают вести себя странным образом. Водород — в стандартном состоянии газа — начинает вести себя как металл, к примеру, и становится способным проводить электричество. Дубровинская и Дубровинский надеются, что их сверхтвердые алмазы могут помочь нам снова эти космические условия. «Мы могли смоделировать недрах гигантских планет или внеземных суперземель за пределами нашей Солнечной системы. Я думаю, что еще более невероятно то, что мы можем сделать, это, используя то, что мы можем держать в руках».

Кристалл, который может раздавить алмаз: в поисках самого твердого материала
Илья Хель