Los físicos han simulado la estructura de un nuevo material basado en fullerita y diamante monocristalino para mostrar cómo este material puede obtener una dureza ultra alta. Este descubrimiento ofrece condiciones potenciales para la obtención de materiales ultraduros. Los resultados fueron publicados en Carbón .

La fullerita es un cristal molecular con moléculas de fullereno en sus nodos reticulares. El fullereno es una molécula esférica de átomos de carbono. Se sintetizó por primera vez hace más de 30 años, y su descubrimiento fue galardonado con el Premio Nobel. Las esferas de carbono en fullerita pueden empaquetarse de diferentes formas, y la dureza del material depende en gran medida de cómo se conectan los fullerenos entre sí. Un equipo de científicos rusos ha explicado ahora por qué la fullerita se convierte en un material ultraduro.

Alexander Kvashnin, Candidato de Física y Matemáticas, el autor principal, dijo, "Cuando comenzamos a discutir esta idea, Estaba trabajando en TISNCM. Allí, en 1998, un grupo de científicos encabezado por Vladimir D. Blank obtuvo un nuevo material basado en fullerenos:fullerita ultradura, o 'tisnumit'. Según las medidas, este nuevo material podría rayar el diamante, era, De hecho, más duro que el diamante ".

La sustancia no era un material monocristalino; contenía carbono amorfo y moléculas polimerizadas en 3-D de C60. Todavía, su estructura cristalina aún no se comprende completamente. La molécula de fullereno tiene una excelente rigidez mecánica. Al mismo tiempo, el cristal de fullerita es un material blando en condiciones normales, pero se vuelve más duro que el diamante bajo presión (debido a la polimerización tridimensional). Aunque este material ha sido sintetizado y estudiado durante más de 20 años, la razón por la que se vuelve ultraduro aún se desconoce. Se han desarrollado varios modelos para explicar cómo los fullerenos se pueden polimerizar en fullerita.

Uno de los modelos fue propuesto por el profesor Leonid A. Chernozatonskii. El patrón de difracción de rayos X del modelo concuerda perfectamente con los datos experimentales, y debe tener un módulo de volumen volumétrico alto, varias veces mayor que el valor del diamante. Pero la estructura relajada del modelo no muestra propiedades tan fascinantes.

Alexander Kvashnin dijo:"Basamos nuestro análisis en ese modelo y en el hecho conocido experimentalmente de que si aplica más de 10 GPa de presión al polvo de fullereno y lo calienta por encima de 1800 K, obtienes un diamante policristalino. La idea era combinar estos dos hechos. Por un lado, un material de fullerita superduro, y por otro lado, bajo presión, los fullerenos se convierten en un diamante policristalino ".

Los científicos sugirieron que bajo presión, parte de la fullerita convertida en diamante, mientras que la otra parte permaneció como fullerita en un estado comprimido dentro del diamante. Para simplificar el modelo, la estructura de cristal de fullerita propuesta por el profesor Chernozatonskii se colocó dentro de un diamante monocristalino. Luego, los investigadores estudiaron este material compuesto. La idea era comprimir el diamante interior de fullerita. Se sabe que en estado comprimido, aumentan las propiedades elásticas y mecánicas del material. Y el diamante actuaría como un caparazón manteniendo la fullerita comprimida en el interior para preservar todas esas propiedades. En el estudio, Primero analizaron modelos pequeños que contenían grano de fullerita de 2,5 nm dentro de la capa de diamante de 1 nm de espesor. Sin embargo, un modelo tan pequeño no cumplía con los datos experimentales. Luego, los investigadores comenzaron a modelar los compuestos, donde el tamaño de la fullerita se incrementó hasta 15,8 nm, y el grosor de la cáscara del diamante se mantuvo igual. Los cambios en el espectro de difracción de rayos X mostraron que el aumento en el tamaño de la fullerita acercó el espectro a los datos experimentales. Después de comparar los espectros, se asumió que lo más probable en el experimento, habían obtenido un medio de carbono amorfo con una fullerita comprimida hidrostáticamente en su interior, mientras que el modelo se ocupaba de un diamante con fullerita en el interior. Según el espectro calculado, el nuevo modelo se correlacionó muy bien con los datos experimentales.

"El modelo desarrollado nos ayudará a comprender la naturaleza de sus propiedades únicas y a sintetizar sistemáticamente los nuevos materiales de carbono ultraduro, así como contribuir a un mayor desarrollo de este prometedor campo de la ciencia, "dijo Pavel Sorokin, jefe del proyecto (TISNCM, MISIS, MIPT).

La fullerita en sí no es muy dura; su módulo de volumen es 1,5 veces menor que el del diamante. Pero cuando está comprimido su módulo de volumen aumenta drásticamente. Para preservar este módulo volumétrico mejorado, la fullerita siempre debe permanecer en tal estado comprimido. Usando los resultados de las simulaciones, los científicos pueden realizar experimentos específicos para obtener un material ultraduro.