Фуллерены помогли синтезировать кристаллическую решетку алмаза без дальней упорядоченности — не столь хрупкую, как обычно. Алмаз — самый твердый минерал в природе. Однако оборотной стороной этого полезного свойства оказывается хрупкость: алмазом легко оставить царапину на стекле или стали, но его так же легко разбить сильным ударом. Теперь команда ученых из Китая и США продемонстрировала метод получения не таких хрупких алмазов.

Об этом они пишут в новой статье, опубликованной в журнале Nature.

Твердость и хрупкость алмазу придает высокая структурная упорядоченность расположения атомов углерода в его кристаллической решетке. Она сохраняется и на ближнем порядке, на расстояниях, сопоставимых с размерами самих атомов, и на неограниченном дальнем порядке. Чтобы придать алмазу не столь высокую хрупкость без потери твердости, ученые решили получить структуру, которая сохраняет порядок на ближних и средних дистанциях, но дальнего порядка лишена. Такие структуры называют паракристаллическими.

Для их получения Говард Шэн (Howard Sheng) из Университета Джорджа Мейсона и его соавторы внесли изменения в традиционный метод создания искусственных алмазов. Обычно их получают из углерода, который подвергается чрезвычайно сильному сжатию при очень высокой температуре. Чтобы лишить готовый кристалл дальнего порядка, но сохранить ближние, в исходный «рецепт» добавили фуллерены — сложные органические молекулы, имеющие формы полых сфер, составленных углеродными многогранниками.

Слева — кристаллическая структура алмаза, справа — паракристалл / ©Hu Tang

Исходные материалы нагревали до 900–1300 °С и подвергали давлению до 27–30 гигапаскалей (для сравнения, стандартное атмосферное давление составляет 100 килопаскалей — в десятки тысяч раз ниже). Оказалось, при таких условиях микросферы фуллеренов коллапсируют, словно лопнувшие шарики, встраиваясь в структуру минерала. Это приводит к ослаблению дальнего порядка в кристаллической решетке и делает ее не такой хрупкой.

Заметим, что уровни давления и нагревания, необходимые для нового метода, оказались даже ниже, чем обычно требуется для создания искусственных алмазов. Впрочем, не так давно ученые научились получать их даже при комнатной температуре.