Структурна схема бакмінстерфуллерена (фулерена C60).
Дослідники з Технологічного інституту надтердих і нових вуглецевих матеріалів у Троїцьку, МФТІ, МІСіС і МДУ розробили новий метод синтезу ультратвердого матеріалу, який перевершує алмаз за твердістю. Детальний опис способу, що дозволяє синтезувати ультратвердий фуллерит - полімер на основі фуллеренів, молекул у вигляді сфер з атомів вуглецю, - наводиться в журналі Carbon.
У своїй роботі вчені відзначають, що алмаз вже давно не є самим твердим матеріалом. Натуральні алмази мають твердість близько 150 гігапаскалів - зараз перше місце в переліку найбільш твердих матеріалів займає ультратвердий фуллерит з показником твердості від 150 до 300 ГПа.
Ультратвердими матеріалами називають все, що твердіше алмаза; матеріали м'якші за алмаз, але твердіше нітрида бора позначають як надтверді: нітрид бора з кубічною решіткою майже втричі серйозніше добре відомого корунду.
Фуллеріти - це матеріали, що складаються з фуллеренів. Фуллеренами, у свою чергу, називають молекули вуглецю у вигляді багатогранників, складених з чіткого числа трикоординованих атомів вуглецю; фуллерен синтезований більше двадцяти років тому, і за його відкриття вручена Нобелівська премія. Вуглецеві сфери у складі фуллериту можуть бути по-різному упаковані, і твердість матеріалу дуже сильно залежить від того, як саме вони пов'язані між собою. В ультратверному фуллеріті атоми вуглецю С пов'язані один з одним ковалентними зв'язками у всіх напрямках - цей матеріал вчені називають тривимірним полімером.
Однак методів, що дозволяють отримувати цю перспективну речовину в промислових масштабах, поки не існує. З практичної точки зору сверхтвёрдая форма вуглецю цікава в першу чергу фахівцям з обробки металів та інших матеріалів: чим твердіше ріжучий інструмент, тим довше він служить і тим якісніше можна обробляти деталі.
Неможливість синтезу фуллериту у великих кількостях обумовлена дуже високим тиском, який необхідно створити для початку реакції. Утворення тривимірного полімеру починається при тисках від 13 ГПа або 130 тисяч атмосфер - а створити такий тиск у великому обсязі сучасна техніка не дозволяє.
Вчені показали, що додавання до вихідної суміші реагентів сероуглецю, CS2, відіграє роль каталізатора в синтезі фуллериту. Ця речовина синтезується в промислових масштабах, активно використовується на різних підприємствах, а технології роботи з ним добре відпрацьовані. Сероуглерод, як показали експерименти, кінцевий продукт, але виступає в ролі каталізатора. За рахунок нього утворення цінного сверхтвьордого матеріалу стає можливим при меншому тиску - 8 ГПа, причому при кімнатній температурі, в той час як попередні спроби синтезувати фуллерит при 13 ГПа вимагали нагріву до 1100К (понад 820 градусів Цельсія).
«Відкриття, описане в статті (каталітичний синтез ультратвердого фуллериту) створює новий напрямок в області матеріалів, оскільки істотно знижує тиск синтезу і дозволяє промислово виробляти цей матеріал і його похідні», - пояснив провідний автор дослідження, завідувач лабораторією функціональних наноматеріалів у ФДБНУ ТІСНУМ Михайло Юрійович Попов.
