В Троицке разработали промышленный способ получения ультратвёрдого фуллерита — материала более твёрдого, чем алмаз.

Алмазная наковальня, деформированная при синтезе ультратвёрдого фуллерита. Вмятина в центре наковальни указывает на то, что синтезированный материал твёрже алмаза.

Структура фуллерита. Фуллерит представляет собой молекулярный кристалл, в узлах решётки которого расположены молекулы фуллерена. Рисунок Дмитрия Зайцева, <br />Ильи Иоффе (Wikimedia, Словарь нанотехнологических терминов).

Наука и жизнь // Иллюстрации

Чем твёрже режущий инструмент, тем дольше он служит и тем качественнее можно обрабатывать детали. Физики, химики, технологи создали много сверхтвёрдых материалов, но, несмотря на все старания, долгое время самым твёрдым оставался природный алмаз. Ситуация стала меняться с открытием новых форм углерода. Двадцать лет назад в результате длительных совместных российско-французских исследований (см. «Наука и жизнь» № 10, 1995 г.) в Институте физики высоких давлений РАН им. Л. Ф. Верещагина впервые синтезировали ультратвёрдый фуллерит, который оказался твёрже природного алмаза, — отсюда он и получил название «ультратвёрдый».

Фуллериты представляют собой молекулярные кристаллы, образованные молекулами фуллерена С₆₀. Первые фуллериты получены в 1990 году в Институте ядерной физики в Гейдельберге (Германия). Сообщение об этом открытии вызвало шквал работ по исследованию свойств и методов синтеза нового вещества. Под действием высокого давления и температуры исследователи получали самые разные, неизвестные ранее фазы, образуемые молекулами фуллерена. В их числе были и сверхтвёрдые фуллериты. Ультратвёрдый фуллерит — тот, что твёрже алмаза, — оказался трёхмерным полимером, состоящим из кристаллов фуллерита.

Ультратвёрдый фуллерит остаётся самым твёрдым материалом и сегодня: его показатель твёрдости колеблется в пределах 150—300 ГПа (гигапаскалей) против 70—150 ГПа у натуральных алмазов. С практической точки зрения он интересен не только специалистам по обработке металлов и других материалов, но и для научных исследований, прежде всего для измерения твёрдости сверхтвёрдых материалов и того же алмаза. Новый метод измерения твёрдости с использованием ультратвёрдого фуллерита был создан в Институте спектроскопии РАН ещё в 1997 году. Тем не менее широкого применения ультратвёрдые фуллериты до сих пор не получили, поскольку нет способов, позволяющих синтезировать их в промышленных масштабах. Это связано с технологическими трудностями: для синтеза ультратвёрдого фуллерита требуется очень высокое давление — не менее 13 ГПа, или почти 130 тысяч атмосфер. Создать его в установке большого объёма (промышленных масштабов) современная техника не позволяет.

Исследователи из Технологического института сверхтвёрдых и новых углеродных материалов (г. Троицк Московской области), из МФТИ, МИСиС и МГУ им. М. В. Ломоносова сумели обойти данное ограничение. Они добавили к исходным реагентам сероугерод CS₂, который, как показали эксперименты, выступает в качестве катализатора реакции трёхмерной полимеризации С₆₀. В присутствии сероуглерода образование сверхтвёрдого материала становится возможным при меньшем давлении — 8 ГПа, причём процесс идёт при комнатной температуре, в то время как синтез этого фуллерита в отсутствие катализатора требует нагрева до 1100 К (около 830^оС). Сероуглерод относительно недорог и доступен: его получают в промышленных масштабах, используют в различных производствах, в том числе химических и текстильных, так что технология работы с ним хорошо отработана.

Новый метод синтеза ультратвёрдого фуллерита авторы исследования описали в статье, опубликованной в сентябрьском номере журнала «Carbon».

Статьи по теме

• УЛЬТРАТВЕРДЫЕ ФУЛЛЕРИТЫ

№11, 2014