Сверхпрочные (выше твердости алмаза) насадки специального инструмента на основе фуллерена

sverhprochnye-vyshe-tverdosti-almaza-nasadki-specialynogo-instrumenta-na-osnove-fullerena-2 Материалы с уникальными свойствами

Алмазы долгое время считались самым твердым материалом в мире. Потрите им любую поверхность, и на ней останется царапина. Вдавите один в любую поверхность, и увидите вмятину. Алмаз — одна гигантская молекула атомов углерода, чрезвычайно твердая, имеющая высокую температуру плавления. Твердость алмаза и его высокую температуру плавления объясняет прочная связка атомов. Чтобы разделить атомы, столь прочно связанные друг с другом, потребуется значительное количество энергии.

Именно из-за своих свойств алмаз незаменим в режущих инструментах. Режущие кромки дисков, используемые для резки кирпича и бетона, состоят из алмазного напыления.

sverhprochnye-vyshe-tverdosti-almaza-nasadki-specialynogo-instrumenta-na-osnove-fullerena-8

Сверхмощные буровые долота — например, те, которые используются в нефтедобывающей промышленности для бурения горных пород — сделаны из алмазов, чтобы дольше оставаться острыми.

Поиск аналогов алмаза

Научное сообщество десятилетиями мечтало о синтезе новых материалов, более твердых, чем природный алмаз. По словам ученых, обычный подход состоит в том, чтобы попытаться создавать все более мелкие молекулы в микроструктуре материала.

И вот рекордный статус прочного ценного минерала оказался под угрозой: исследователи создали новый материал, который может быть даже тверже алмаза. Чтобы создать сверхтвердое вещество, команда ученых из Китая начала с молекул углерода, называемых фуллеренами.

sverhprochnye-vyshe-tverdosti-almaza-nasadki-specialynogo-instrumenta-na-osnove-fullerena-1

Каждая молекула содержит 60 атомов углерода, расположенных по схеме, напоминающей шарообразную клетку. Фактически, если бы вы нарисовали молекулу фуллерена, а также все химические связи, которые удерживают ее атомы вместе, каждый фуллерен выглядел бы как футбольный мяч.

Исследователи поместили комбинацию фуллеренов и богатую углеродом жидкость под названием ксилол в устройство, называемое ячейкой с алмазной наковальней. Сделанный из двух крошечных плоских кусочков полированного алмаза, он мог сжимать смесь фуллерена и ксилола при очень высоких давлениях.

sverhprochnye-vyshe-tverdosti-almaza-nasadki-specialynogo-instrumenta-na-osnove-fullerena-3

Давление наковальни на этот новый материал оказало примерно в 320 000 раз большее давление, чем атмосфера Земли над уровнем моря. Это примерно такое же давление, как вес 300 слонов на одной почтовой марке.

Когда исследователи вынули образцы из ячейки с алмазной наковальней, они заметили, что крошечные алмазы, которые использовались для сжатия образцов, были треснутыми. Это ключ к разгадке того, что сжатая версия смеси фуллерен-ксилол тверже, чем алмаз.

Текущий компьютерный анализ материалов не дает полную картину, насколько новый материал сравнивается с алмазом, поэтому на данный момент только тесты реальных образцов могут дать ответ. Образцы сверхтвердого материала, которые создали ученые, очень маленькие, примерно в два раза больше толщины листа бумаги.

Синтетический алмаз на основе фуллерена, который даже тверже своего природного аналога и способен выдерживать более высокие температуры, был создан исследователями в Китае. Новая структура имеет все шансы стать исключительно плотной и твердой.

sverhprochnye-vyshe-tverdosti-almaza-nasadki-specialynogo-instrumenta-na-osnove-fullerena-4

Ученые говорят, что новую форму алмаза можно использовать для создания превосходных режущих или дробильных инструментов, которые могут работать даже в экстремальных условиях.

Фуллерен — основа прочности

Исследователями другой страны также был разработан революционный метод синтезирования сверхтвердого материала, превосходящий по всем параметрам алмаз. Они детально описывали метод, который позволяет синтезировать сверхтвердые фуллериты, полимеры или сферические молекулы.

Любой элемент, который в любой степени превосходит по твердости алмаз называется сверхтвердым материалом. А те компоненты и соединения, которые по мягкости ниже алмазов, но тверже других элементов называются твердыми.

sverhprochnye-vyshe-tverdosti-almaza-nasadki-specialynogo-instrumenta-na-osnove-fullerena-5

После проведения работ и исследований с фуллеренами, ученые составили заключение, в котором отметили, что алмазы уже не считаются твердейшими материалами.

Ультратвердый фуллерит (тиснумит), полученный в результате опытов по твердости оставил далеко позади знакомый всем алмаз. Кроме того, новое вещество, состоящее из аморфного углерода и полимеризованных молекул С60, царапает сам алмаз, то есть гораздо тверже его.

Сам фуллерен, из которого состоит фуллерит, обладает исключительной жесткостью, поскольку состоит из молекул углерода и сферы из 60 атомов. Элемент «фуллерен» был синтезирован учеными около 20 лет назад, и за это им было присуждено самую престижную в области науки премию.

Имеющиеся сферы углерода внутри фуллеритов можно располагать разными способами, а степень твердости материалов в большинстве зависит от того, насколько у них между собой устойчивая связь.

sverhprochnye-vyshe-tverdosti-almaza-nasadki-specialynogo-instrumenta-na-osnove-fullerena-6

В сверхтвердых фуллеритах, молекула фуллерена связана между собой ковалентными связями по всем направлениям — материаловедам они известны как трехмерный полимер.

Но методов, которые обеспечивают получение этих перспективных материалов в промышленных больших масштабах пока нет. Для научного сообщества сверхтвердые компоненты углеродов представляют особенный интерес применения в области обработки твердых материалов. Для промышленности это важно, потому более твердый инструмент будет работать дольше и качественнее обрабатывать материалы.

sverhprochnye-vyshe-tverdosti-almaza-nasadki-specialynogo-instrumenta-na-osnove-fullerena-7

Что затрудняет синтезирование фуллеритов в масштабных объемах, так это подача высокого давления, которое начинает нужную реакцию. Современное оборудование пока не может обеспечить такое давление, что конечно же сейчас исправляют исследователи и разработчики агрегатов.

Но все же, благодаря своей превосходной твердости и термостойкости «новый» алмаз может быть идеальным для изготовления промышленных инструментов или научных инструментов, таких как ячейки с алмазными наковальнями, которые работают при очень высоких температурах. В настоящее время ученые работают над снижением давления, необходимого для изготовления алмазов, чтобы их было легче производить.

Разработка технологии производства сверхпрочных насадок на основе фуллерена в больших количествах выглядит многообещающе. Ведь сверхпрочные (выше твердости алмаза) материалы — это то, чего многие люди пытались достичь в течение долгого времени.

Оцените статью
Добавить комментарий

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