Давление в ядре нашей планеты невероятно велико кажется, что выполнить моделирование такой силы невозможно, но для человека нет ничего невозможно нужно лишь немного подождать и наука сделает очередной прорыв. Физик Наталья Дубровинская способна превзойти в несколько раз эти значения(предположительно 3 млн. атм или примерно 300 000 Мпа).
Кажется невероятным, но учёные из Университета Байройта обнаружили невероятно твёрдый материал, способный противостоять этим феноменальным силам. Он настолько тверд, что способен оставить вмятину в алмазных кристаллах. А ведь до недавнего времени человечество не знало материала способного по соперничать в твёрдости с алмазом.
Это открытие венчает десятилетия поисков, ведь учёные всего мира давно ищут материал способный превзойти по прочности алмазы. Теперь же мы сможем совершить прорывы во многих областях начиная от медицины и заканчивая изучением далёких миров.
Вернёмся к истокам. Человечество на протяжении всего своего существования искала всё более и более твёрдые материалы. Сначала они были нам необходимы для обработки одних камней другими, более твёрдыми. Затем на смену пришли металлы, это был невероятный прорыв своего времени, естественно самым главным металлом стала сталь, которая на долгие тысячелетия стала самым твёрдым известным(это важно) материалом на земле. В конце 18 го века люди научились покрывать металл алмазной пылью, что увеличило прочность инструментов.
Очевидно, что алмазы привлекательны для выполнения из них ювелирных украшений, но большинство добываемых ныне алмазов идёт в сферы которые требуют сверх твёрдых инструментов, такие как горнодобывающая, нефтяная промышленность, медицина. Эти сферы имели бы совершенно другой вид, если бы не умение человека использовать алмаз в качестве покрытия инструментов, некоторые горные породы стали бы не преодолимой преградой.
Чтобы понять, что делает материал твердым, необходимо взглянуть на атомную структуру его кристаллов.
В алмазах, атомы углерода связаны вместе в тетраэдрическом образовании, форма которого чрезвычайно жесткая. В сочетании с прочными связями углерод-углерод это делает Алмаз чрезвычайно твердым.
Само слово "алмаз" происходит от древнегреческого adámas, или нерушимый.(любители комиксов сразу вспомнят всем известный Адамантий, происходит явно от того же корня) И все же алмаз ломается и крошится при достаточно высоких давлениях.
Неудивительно, что поиск сверхтвердых материалов начинается с попытки воспроизвести структуру алмаза, но есть только несколько элементов, способных связываться таким образом.
Одним из таких материалов является нитрид бора. Как и углерод, этот синтетический материал имеет несколько различных форм, но можно воспроизвести структуру алмаза, заменив атомы углерода атомами азота и бора. Впервые созданный в 1957 году и известный как кубический нитрид бора. По началу давал не плохие надежды но тесты показали, что он в половину менее прочен чем алмаз.
В последующие несколько десятилетий последовала череда подобных разочарований, поскольку ученые искали другие способы связать эти три элемента-азот, бор и углерод – в различных структурах.
В 2001 году появился алмазоподобный нитрид углерода Бора.Было обнаружено, что хотя новый материал был тверже кристаллов кубического нитрида бора, он все же не дотягивал до алмаза.
Затем, 11 лет назад, Чанфэн Чэнь, физик из Университета Невады, и его коллеги из Шанхайского университета Цзяо Тун в Китае, решили, что они наткнулись на что-то, что может опрокинуть алмаз с пьедестала. Они вычислили, что причудливая гексагональная форма нитрида бора, известная как бор вюрцита нитрид был бы на 18 процентов прочнее алмаза. Но есть одна загвоздка данный материал может быть создан только при участии взрывов и в минимальном количестве, что сразу говорит о том, что он не подходит на роль лидера, так как его нельзя производить\добывать в промышленных масштабах(пока).
И только в последние пару лет мы, наконец, видим некоторые прорывы. В 2015 году Джагдиш Нараян и его коллеги из Университета штата Северная Каролина обнаружили, что при плавлении некристаллической формы углерода, известную как стекловидный углерод с помощью быстрого лазерного импульса, нагревая его до 3700 ° c , и его быстрого охлаждения получается Q-углерод. В отличие от других форм углерода он является магнитным и светится при воздействии света.
Структура самого материала была в основном построена из Алмазного соединения, но также имела около 10-15% графитового соединения. Тесты исследовательской группы показывают, что Q-углерод может быть по крайней мере на 60% тверже алмаза, но это еще не окончательно подтверждено.
И тут наконец то мы приходим к сверх твёрдому материалу Дубровинской. Ее новый материал представляет собой уникальную форму углерода, известную как нанокристаллические алмазные шары, он состоит из множества крошечных отдельных кристаллов – каждый 3-5 нанометров – которые связаны друг с другом слоем графена.
В то время как кристалл алмаза начнет разрушаться при давлении до 120 Гига Паскалей (гПа), новый материал, может выдержать по крайней мере 460 гПа. Это делает эти крошечные сферы более твердыми, чем любое другое известное вещество на планете.
Эти нанокристаллические алмазные шарики также прозрачны, что позволяет им действовать как крошечные линзы, через которые исследователи могут смотреть на измельчаемый материал с помощью рентгеновских лучей - если выполнить из выполнить из нового материала пресс "Это позволяет нам давить на исследуемый материал и наблюдать за тем, что происходит”, - говорит Дубровинская.
Дубровинская и ее коллеги применили этот метод для изучения осмия, металла, который является одним из наиболее устойчивых к сжатию в мире. Они обнаружили, что он может противостоять давлениям сжатия свыше 750 гПа. В этот момент внутренние электроны, которые обычно плотно связаны с ядром атома металла и являются очень стабильными, начали взаимодействовать друг с другом. Исследователи полагают, что это странное поведение может привести к тому, что металл из твердого состояния перейдет в ранее неизвестное состояние материи.
Эти сверхтвердые наноалмазы выходят за рамки простого придания новых закаленных краев для резки камня и металла. Такие наноалмазы в порошковой форме находят применение в косметической промышленности, так как они обладают высокой абсорбирующей способностью, удерживая активные вещества.Они также легко усваиваются кожей, неся эти вещества с собой. Медицинская промышленность также начинает изучать способы их использования для доставки лекарств, таких как химиотерапия, в труднодоступные участки тела. Исследования также показали, что наноалмазы могут способствовать росту костей и хрящей.
Более того, эта работа может помочь раскрыть некоторые тайны нашей Солнечной системы.В то время как в центре Земли давление, как полагают, достигает 360 гПа, самая большая планета, вращающаяся вокруг нашего Солнца, газовый гигант Юпитер, как полагают, имеет давление до 4500 ГПа в своем ядре.
При таком давлении элементы начинают вести себя странным образом. Водород-обычно газ на Земле-начинает вести себя как металл, и становится способным проводить электричество. Дубровинская и Дубровинский надеются, что их сверхтвердые алмазы помогут нам создать такие космические условия. ” Мы могли бы начать моделировать условия планет-гигантов или иных планет за пределами нашей Солнечной системы", - сказала Дубровинская.
В итоге мы получили не просто очередной "точильный камень", а невероятно перспективный материал который можно использовать в различных областях науки.
Подписывайтесь.
Также у нас есть паблик в ВК.