Исследователи из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов в Троицке, МФТИ, МИСиС и МГУ разработали новый метод синтеза ультратвердого материала, который по твердости превосходит алмаз. Детальное описание способа, позволяющего синтезировать ультратвердый фуллерит – полимер на основе фуллеренов, молекул в виде сфер из атомов углерода – приводится в журнале Carbon.

В своей работе российские ученые отмечают, что алмаз уже давно не является самым твердым материалом. Натуральные алмазы имеют твердость около 150 гигапаскалей. Сейчас первое место в перечне самых твердых материалов занимает ультратвердый фуллерит с показателем твердости от 150 до 300 ГПа. Ультратвердыми материалами называют все, что тверже алмаза. Материалы мягче алмаза, но тверже нитрида бора обозначают как сверхтвердые: нитрид бора с кубической решеткой почти втрое тверже хорошо известного корунда.

Фуллериты – это материалы, состоящие из фуллеренов. Фуллеренами, в свою очередь, называют молекулы углерода в виде сфер, образованных 60 атомами. Фуллерен синтезирован более двадцати лет назад, и за его открытие вручена Нобелевская премия. Углеродные сферы в составе фуллерита могут быть по-разному упакованы, и твердость материала очень сильно зависит от того, как именно они связаны между собой. В открытом сотрудниками Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов (ФГБНУ ТИСНУМ) ультратвердом фуллерите молекулы С60 связаны друг с другом ковалентными связями во всех направлениях – этот материал ученые называют трехмерным полимером.

Однако методов, позволяющих получать это перспективное вещество в промышленных масштабах, пока не существует. С практической точки зрения сверхтвердая форма углерода интересна в первую очередь специалистам по обработке металлов и других материалов: чем тверже режущий инструмент, тем дольше он служит и тем качественнее можно обрабатывать детали.

Невозможность синтеза фуллерита в больших количествах обусловлена очень высоким давлением, которое необходимо создать для начала реакции. Образование трехмерного полимера начинается при давлениях от 13 ГПа или 130 тысяч атмосфер, а создать такое давление в большом объеме современная техника не позволяет.

Ученые показали, что добавление к исходной смеси реагентов сероугерода, CS2, играет роль катализатора в синтезе фуллерита. Это вещество синтезируется в промышленных масштабах, активно используется на различных предприятиях, а технологии работы с ним хорошо отработаны. Сероуглерод, как показали эксперименты, выступает в роли катализатора, за счет него образование ценного сверхтвердого материала становится возможным при меньшем давлении – 8 ГПа, причем при комнатной температуре, в то время как предыдущие попытки синтезировать фуллерит при 13 ГПа требовали нагрева до 1100К (свыше 820 градусов Цельсия).

«Открытие, описанное в статье (каталитический синтез ультратвердого фуллерита) создает новое направление в области материалов, поскольку существенно снижает давление синтеза и позволяет промышленно производить этот материал и его производные», – пояснил ведущий автор исследования, заведующий лабораторией функциональных наноматериалов в ФГБНУ ТИСНУМ Михаил Юрьевич Попов.