Физики из России разгадали тайну жесткости поликристаллических алмазов

Физики из МФТИ построили теоретическую модель, которая позволяет объяснить необычно высокую твердость поликристаллических структур, состоящих из наноразмерных алмазов. 23 Октябрь 2015, 14:19
Ученые из Московского Физтеха выяснили, почему недавно открытые поликристаллические наноалмазы обладают рекордной твердостью и упругостью, и могут царапать природные алмазы, о чем ученые рассказали в статье в журнале Applied Physics Letters.

За последние годы ученые открыли несколько новых форм углерода и других веществ и соединений, таких как нитрид бора, способных соперничать с алмазом в механической прочности и других качествах, которые раньше считались отличительной чертой алмазов. В их число входят эльбор, карбин, фуллерит, нанополикристаллические (NPD) алмазы и аморфный углерод, физическая подоплека многих свойств которых остается загадкой для ученых.

Павел Сорокин и Сергей Ерохин из Института сверхтвердых и новых углеродных материалов в Троицке и Московского физико-технического института в Долгопрудном раскрыли природу некоторых свойств NPD-алмазов, моделируя их свойства при помощи мощнейших суперкомпьютеров. О результатах экспериментов рассказывает пресс-служба МФТИ.
Модель поликристаллического алмаза, созданная в МФТИ Фото: МФТИ
Ранее эксперименты с поликристаллическими алмазными — структурами, состоящими из множества мелких алмазных нанокристаллов — показали, что они в некоторых случаях могут быть более жёсткими, чем монокристаллический алмаз.

По словам Сорокина и Ерохина, все свойства алмазов подобного типа очень сильно зависят от того, каким размером обладают "зерна" углерода, из которых слеплены эти драгоценные камни. Как правило, чем меньше их размер, тем более прочными и устойчивыми бывают NPD-алмазы, однако физики не были до конца уверены, что будет происходить при дальнейшем уменьшении размеров наночастиц.

Расчеты, проведенные Сорокиным и Ерохиным, показывают, что способность поликристаллических алмазов сжиматься со всех сторон действительно зависит от того, какими размерами обладают его зерна. При этом ученым удалось найти объяснение аномальной прочности этих алмазов, в которой сомневались многие другие физики.
Как рассказывают российские ученые, секретом их стойкости к сжатию является то, что индивидуальные зерна углерода реагируют на равномерную нагрузку со всех сторон анизотропно. Это означает, что они лучше сопротивляются нажиму с одной стороны, чем с другой, и при этом каждое зерно реагирует на нагрузку по-разному.

Часть из них, как показали расчеты Ерохина и Сорокина, обладают более высоким коэффициентом объемной упругости, чем весь алмаз в целом. Возможной причиной этого, пишут физики, является то, что зерна обладают разной формой и что они по-разному контактируют друг с другом.

Результаты этих расчетов и физическое объяснение прочности наноалмазов, как надеются авторы статьи, помогут создать еще более прочные материалы, подбирая "правильный" размер и форму зерен. К примеру, ученые уже успели выяснить, что самые удачные алмазы должны получаться в тех случаях, когда их изготовляют из наночастиц диаметром в 10 нанометров, что полностью соответствует результатам практических экспериментов.
"Подобные материалы имеют большое значение в различных областях промышленности, поскольку могут использоваться в качестве износостойких покрытий, абразивных материалов, в качестве инструментов для огранки и полировки и др. Таким образом, поиск и синтез новых сверх- и ультратвердых материалов с твёрдостью, сравнимой или даже твёрже, чем у алмаза, представляет особую важность с точки зрения как фундаментальной науки, так и прикладных применений".
заключает Сорокин.