Физики из МФТИ и Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов провели исследование структуры ультратвердого фуллерита, который обладает механическими свойствами, превосходящими даже алмаз. Ученые выяснили, что материал состоит из небольших групп атомов, называемых кластерами, которые имеют различные механические свойства.
Углерод имеет множество различных форм, начиная от графита и алмаза, и заканчивая сложными структурами, такими как нанотрубки и фуллерены. Однако даже на эти соединения можно оказывать высокое давление, чтобы получить материалы с новыми полезными свойствами.
Например, смесь фуллеренов, которые представляют собой объемные шарообразные структуры из 60 и более атомов углерода, сжимают при давлениях в несколько сотен тысяч атмосфер. В результате молекулы фуллеренов деформируются, связываются друг с другом в группы, называемые нанокластерами, и образуют фуллериты - аморфные материалы, прочность которых сравнима с алмазами.
У физиков уже есть общее представление о структуре фуллеритов, но она еще не полностью изучена. Группа ученых под руководством Михаила Попова, профессора кафедры физики и химии наноструктур МФТИ, исследовала аморфные материалы с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния света и показала, как можно получить информацию о каждом кластере фуллерита, его твердости, а также сравнить его характеристики с наноалмазом.
Согласно словам первого автора работы, аспиранта МФТИ Федора Хоробрых, ультратвердый фуллерит является уникальным материалом, состоящим из множества маленьких углеродных структур различных размеров, называемых нанокластерами.
Специалист также отметил, что при использовании спектроскопии комбинационного рассеяния света становится видно, как разные кластеры светятся при разных длинах волн лазера. При этом Хоробрых добавил, что с увеличением длины волны интенсивность сигнала должна уменьшаться.
«Но на самой большой длине волны в 1 микрон, к нашему удивлению, произошел резонанс — высветились все пики нанокластеров! Благодаря этому мы смогли обнаружить, насколько разнообразна структура ультратвердого фуллерита», - заключил ученый.
Спектроскопия комбинационного рассеяния света — это метод исследования, при котором материал облучается лазером определенной длины волны. Свет взаимодействует с колебаниями атомов или другими возбуждениями и переизлучается веществом на другой длине волны. Разница в длинах волн отображается на спектре, и по ее величине можно определить структуру и колебательный спектр вещества.
В своей работе физики облучали ультратвердый фуллерит светом с длинами волн от 257 до 1064 нанометров. Положение пика на спектре менялось с увеличением длины волны. Ученые объяснили это тем, что разное излучение активирует разные нанокластеры внутри фуллерита. При облучении светом с длиной волны 1064 нанометра произошел резонанс — на спектре отобразилось множество пиков, соответствующих каждому нанокластеру. Такой резонанс физики наблюдали впервые.
Затем ученые сравнили спектры ультратвердого фуллерита и смеси нанометровых алмазов, в которых атомы углерода соединяются между собой таким же образом — через sp3-связи. Результаты оказались аналогичными. Это означает, что наличие разных нанокластеров с преимущественным sp3-связыванием определяет спектр этих углеродных материалов независимо от способа получения и типов кластеров в структуре.
При этом в ультратвердом фуллерите, как и в наноалмазах, каждый кластер материала имеет различные механические характеристики. Это связано с разными размерами, формами кластеров и особенностями ковалентных связей внутри них.