Углеродно-борные клетки Супералмаза, могут захватывать и использовать различные свойства.
Давно востребованный класс "супералмазных" углеродных материалов с перестраиваемыми механическими и электрическими свойствами был предсказан и синтезирован работами Ли Чжу (Li Zhu) и Тимоти Стробеля (Timothy Strobel) из Карнеги (Carnegie). Их работа была опубликована в журнале Science Advances 10 января 2020 года.
Углерод - четвертый из наиболее распространенных элементов во Вселенной, и он имеет фундаментальное значение для жизни в том виде, в котором мы ее знаем. Он непревзойден по своей способности формировать стабильные структуры, как в одиночку, так и с другими элементами.
Свойства материала определяются тем, как его атомы связаны друг с другом, и структурными схемами, создаваемыми этими связями. Для материалов на углеродной основе тип связки определяет разницу между твердостью алмаза, имеющего трехмерную связь "sp3", и мягкостью графита, имеющего, например, двумерную связь "sp2".
Несмотря на огромное разнообразие углеродных соединений, известно лишь несколько трехмерных углеродных материалов на основе sp3-связи, включая алмаз. Трехмерная структура связки делает эти материалы очень привлекательными для многих практических применений благодаря целому ряду свойств, включая прочность, твердость и теплопроводность.
"Кроме алмаза и некоторых его аналогов, включающих дополнительные элементы, почти не было создано никаких других расширенных углеродных материалов sp3, несмотря на многочисленные предсказания потенциально синтезируемых структур с такой связью" - пояснил Штробель. "Следуя химическому принципу, указывающему на то, что добавление бора в структуру повысит ее устойчивость, мы исследовали еще один класс углеродных материалов с 3D-связью, называемых клатратами, которые имеют решетчатую структуру клеток, улавливающих другие типы атомов или молекул".
Клатраты, состоящие из других элементов и молекул, являются распространенными и были синтезированы или найдены в природе. Тем не менее, клатраты на основе углерода до сих пор не синтезированы, несмотря на давние предсказания об их существовании. Исследователи пытались создать их более 50 лет.
Стробель, Чжу и их команда - Густав М. Борстад, Ханью Лю, Петр А. Гу?ка, Майкл Гуэретт, Юли-Анна Долинюк, Юе Мэн и Рональд Коэн, а также Эран Гринберг и Виталий Пракапенка из Чикагского университета и Брайан Л. Чалу и Альберт Эпштейн из Лаборатории военно-морских исследований США - приблизились к этой проблеме с помощью комбинированного вычислительного и экспериментального подхода.
"Мы использовали передовые инструменты поиска структуры для предсказания первого термодинамически стабильного клатрата на основе углерода, а затем синтезировали клатратную структуру, состоящую из углеродно-боровых клеток, которые улавливают атомы стронция, под высоким давлением и при высоких температурах" - сказал Чжу.
В результате получается 3D-каркас на основе углерода с алмазоподобным связующим, который восстанавливается в зависимости от условий окружающей среды. Но в отличие от алмаза, атомы стронция, попавшие в каркас, делают материал металлическим, то есть проводящим электричество, с потенциалом сверхпроводимости при особо высокой температуре.
Более того, свойства клатрата могут меняться в зависимости от типов гостевых атомов в клетках.
"Атомы гостей, попавшие в ловушку, сильно взаимодействуют с клетками хозяев" - заметил Стробель. "В зависимости от конкретных присутствующих гостевых атомов клатрат может быть настроен из полупроводника в сверхпроводник, сохраняя при этом прочные алмазоподобные связи. Учитывая большое количество возможных замещений, мы предполагаем совершенно новый класс углеродных материалов с высокой перестраиваемостью".
"Для всех, кто увлекается или чьи дети увлекаются покемонами, эта клатратная структура на основе углерода похожа на материал Eevee" - пошутил Чжу. "В зависимости от того, какой элемент он захватывает, у него разные способности."
*Если Вас интересуют новости в мире науки и технологий, подписывайтесь на наш канал. Этим вы стимулируете нас продолжать писать дальше.