Синтез алмазов и алмазоподобных соединений сверхвысокой твердости из фуллеренов

sintez-almazov-i-almazopodobnyh-soedineniy-sverhvysokoy-tverdosti-iz-fullerenov-9 Материалы с уникальными свойствами

Алмаз известен нам как исключительная ценность для любой материальной собственности. Слово «алмаз» происходит от греческого слова adamas, что означает «невозможно приручить». Алмаз редко встречается в природе, потому что углерод вступает в реакцию со многими элементами, образуя различные соединения, а образование графита происходит быстрее, чем формирование алмаза в обычных условиях.

sintez-almazov-i-almazopodobnyh-soedineniy-sverhvysokoy-tverdosti-iz-fullerenov-1

Алмаз обладает уникальным сочетанием свойств: твердостью, теплопроводностью, химической и термической инертностью, а также устойчивостью к истиранию. Эти характеристики делают алмаз привлекательным для различных сфер применения.

Способы получения алмазов и алмазоподобных соединений

В настоящее время алмазы делятся на четыре категории: природные, синтетические под высоким давлением, химические осаждения из паровой фазы и алмазоподобный углерод.

sintez-almazov-i-almazopodobnyh-soedineniy-sverhvysokoy-tverdosti-iz-fullerenov-5

Благодаря своей высокой твердости алмаз используется при шлифовании, полировке и изготовлении оружия. Роторные буровые коронки и пилы с алмазными шипами используют для рытья нефтяных скважин и сверления отверстий в твердых породах.

Естественно доступному алмазу трудно придать различные физические конфигурации. Следовательно, синтез алмаза в виде тонкой пленки или покрытия вызвал интерес как в исследованиях, так и в промышленности.

sintez-almazov-i-almazopodobnyh-soedineniy-sverhvysokoy-tverdosti-iz-fullerenov-2

Хотя алмаз можно получить из разных источников, около 90 тонн монокристаллического алмаза производятся синтетически из графита при высоких температурах и давлении каждый год, что значительно дешевле по сравнению с природным алмазом.

Алмаз, графит, фуллерен и аморфный углерод — четыре известных аллотропа углерода. Атомное расположение заставляет углерод существовать в разных формах. Углерод является шестым по распространенности материалом, который существует примерно в миллионах различных соединений в различных формах.

Алмаз — абразив, тогда как графит — хорошая смазка, потому что слои графита прилипают друг к другу. Графит мягкий и скользкий, в отличие от алмаза, который является самым твердым материалом, известным человеку. Эти чрезвычайно разнообразные свойства можно объяснить типом связи между атомами углерода.

sintez-almazov-i-almazopodobnyh-soedineniy-sverhvysokoy-tverdosti-iz-fullerenov-8

У алмаза есть гибридизированная орбиталь, в которой четыре атома углерода образуют ковалентную связь с соседними атомами, что приводит к тетраэдрической структуре. Алмазоподобный углерод имеет связь sp3 и sp2.

Фуллерен как основа алмазоподобных соединений сверхвысокой твердости

Открытие фуллеренов, новой аллотропной модификации углерода, поставило вопрос: возможен ли структурный переход от фуллерена к алмазу по аналогии с фазовым переходом графит–алмаз. Действительно, каждый атом углерода в молекуле фуллерена, как и в структуре графита, имеет эквивалентные контакты с тремя соседями и, следовательно, находится в sp2-гибридизированном состоянии.

С момента разработки метода синтеза фуллеренов в макроскопических количествах эта проблема изучалась на экспериментальном уровне.

sintez-almazov-i-almazopodobnyh-soedineniy-sverhvysokoy-tverdosti-iz-fullerenov-6

Ученые предполагают, что гидростатическая сжимаемость фуллерена может превышать таковую характеристику алмаза. Эта гипотеза стимулировала дальнейшее изучение фазовых переходов в фуллеренах при высоких давлениях и несколько изменила направление исследований.

В настоящее время достоверно установлено, что фазы фуллерена типа C60, действительно конкурируют с алмазом по твердости, но превосходят его по пластичности. Проблемам синтеза алмаза из фуллеренов уделялось гораздо меньше внимания, хотя первый патент на замену графита на фуллерен в синтезе алмаза появился десять лет назад.

sintez-almazov-i-almazopodobnyh-soedineniy-sverhvysokoy-tverdosti-iz-fullerenov-3

Замена графита фуллереном C60 в синтезе алмаза может позволить снизить параметры процесса, поскольку кривизна поверхности кластера фуллерена, которая обеспечивает некоторую «примесь» sp3-гибридизации (типичной для структуры алмаза) в связь углерод–углерод, прямо сформулирована исследователями и еще изначально выглядела многообещающей.

Для синтеза алмаза из фуллерена требуются даже более высокие температуры и давления, чем для процесса с использованием графита. Более того, процент превращения фуллерена в алмаз зависит от используемого металлического катализатора, лишь некоторые из которых обеспечивают уровень конверсии, достигаемый при фазовом переходе графит–алмаз.

Хотя до сих пор нет общепринятой точки зрения относительно механизма синтеза алмаза из фуллерена, большинство исследователей принимают модель, предполагающую, что кристаллы алмаза растут из углерода, растворенного в металлическом катализаторе. Согласно этой модели, температура роста алмаза ограничена снизу температурой плавления металла и кривой равновесия алмаз–графит на углеродной фазовой диаграмме.

sintez-almazov-i-almazopodobnyh-soedineniy-sverhvysokoy-tverdosti-iz-fullerenov-4

Синтез ультратвердого фуллерена существенно уменьшает давление и дает возможность поставить производство алмазов и алмазоподобных соединений для обработки металлов.

Сделать алмаз сложно, потому что фуллерен имеет тенденцию быть в форме графита при нормальных условиях, поскольку он более стабилен. Несмотря на то, что фуллерен является стабильной формой, однажды образовавшийся алмаз никогда не будет похож на графит. Аморфные углеродные пленки проявляют механические, электрические и оптические свойства, аналогичные свойствам алмаза, но им не хватает кристаллической структуры.

По результатам экспериментов ученые-исследователи сделали два вывода:

sintez-almazov-i-almazopodobnyh-soedineniy-sverhvysokoy-tverdosti-iz-fullerenov-7
  • фуллерены проявляют дополнительный каталитический эффект при синтезе алмазов из графита в присутствии металлических катализаторов; 
  • добавление фуллеренов увеличивает процентную конверсию графита в алмаз до 35% для синтеза, что в 1,8 раза превышает уровень, достигаемый для чистого графита.

Результаты, полученные в больших промышленных сериях, показывают, что использование фуллеренов в качестве каталитических добавок к графитовой шахте и производство искусственных алмазов и алмазоподобных соединений сверхвысокой твердости экономически выгодно для промышленности.

Оцените статью
Добавить комментарий

error: Alert: Content is protected! Внимание! Контент защищен!