Физики из США превратили графен в "растягивающиеся алмазы"
Сжатие графена до сверхвысоких давлений превратило его в сверхпрочный, но при этом гибкий материал, который в будущем послужит основой для бронежилетов и обшивки космических кораблей, говорится в статье, опубликованной в журнале Science Advances.
"Легкие материалы, обладающие высокой прочностью и эластичностью, подобные тому, который мы создали, являются критически важными для тех областей промышленности и инженерии, где уменьшение массы является главной задачей вне зависимости от цены вопроса. Более того, мы полагаем, что эта методика синтеза новых форм углерода позволит нам создать принципиально новые материалы, пока неизвестные науке", — заявил Чжишэн Чжао (Zhisheng Zhao) из Института науки Карнеги в Вашингтоне (США).
За последние два десятилетия ученые создали несколько сверхпрочных материалов на базе углерода, карбида кремния и ряда других материалов, которые способны выдерживать давление, в сотни тысяч и миллионы раз превышающее атмосферное. Изучение их свойств помогает ученым понять, как устроено и как ведет себя ядро Земли и ее далеких "кузин" у других звезд, а также приближает нас к созданию высокотемпературных сверхпроводников и других чудо-материалов.
Чжао и его коллеги открыли новую форму углерода, обладающую чрезвычайно полезными практическими свойствами, наблюдая за тем, что происходит с еще одной недавно открытой "версией" этого элемента — графеном, "нобелевским" углеродом – при сжатии до экстремально высоких давлений.
Сжимая склеенные "пачки" листов графена до давлений, превышающих атмосферное в 250 тысяч раз, ученые обнаружили, что они превращаются в материал, одновременно обладающий и некоторыми свойствами алмаза, и некоторыми свойствами графена за счет наличия типично "алмазных" и "графеновых" связей между атомами углерода.
Это вещество, которое ученые пока просто называют "сжатым стеклоуглеродом", обладает прочностью, не уступающей алмазу, но при этом оно может растягиваться в несколько раз, подобно графену.
В частности, самые удачные образцы этого материала уступают алмазу в прочности всего в 3 раза, но при этом они растягиваются и восстанавливают свою форму не хуже, чем резина. Как показали дальнейшие опыты, частицы сжатого стеклоуглерода могут царапать карбид кремния, рубины, сапфиры и другие драгоценные камни, что подтвердило его высокую прочность.
По своему внутреннему устройству, как показали рентгеновские "фотографии" кусочков этого материала, он представляет собой набор из изогнутых листов графена, "склеенных" между собой небольшими островками из атомов углерода, соединенных так же, как атомы внутри кристаллической решетки алмаза.
Количество этих связей и их расположение, как отмечает Чжао, зависело от того, как сильно ученые нагревали и сжимали графен, что позволяет очень гибко управлять свойствами этой формы углерода.
Благодаря такому устройству плотность этого материала остается рекордно низкой – всего 2 грамма на кубический сантиметр, что примерно равно плотности кевлара или человеческих костей, и в разы меньше аналогичного показателя для железа, меди и других металлов.
Это, в свою очередь, позволяет применять конструкции из таких "растягивающихся алмазов" для создания сверхлегких бронижилетов, корпусов и обшивки спутников и космических кораблей и прочих целей, где требуется малый вес и сверхвысокая прочность. Кроме того, сжатый стеклоуглерод может стать основой для электроники будущего, так как внутри него электроны могут вести себя так же необычно, как и в графене.