Кристалл, который может сокрушить алмаз: в поисках самого твердого материала

В центре нашей планеты породы весом в миллиарды тонн создают силу, которая в три миллиона раз превышает атмосферное давление на поверхности. Тем не менее на столешнице своей скромной лаборатории на севере Баварии физик Наталья Дубровинская может превысить даже это сумасшедшее давление в несколько раз, благодаря устройству, которое умещается у нее в руке.

Несколько точных поворотов винтов в верхней части небольшого цилиндра — и она может создать давление, в три раза превышающее давление в ядре Земли. Удивительно, но вместе с коллегами из Университета Байройт она обнаружила удивительный материал, способный выдерживать эту феноменальную силу. Он настолько твердый, что может оставить вмятину в кристалле алмаза, который долгое время считался самым твердым материалом в мире.

Ее новое вещество — это кульминация десятилетних поисков современных алхимиков, ученых, которые химичили и возились с химической структурой веществ, пытаясь подстроить и изменить их свойства нужным образом. Это путешествие, в котором было много фальстартов и тупиков. Но последние достижения ученых могут иметь широкие последствия, от прорывов в медицине до изменения нашего понимания далеких миров.

Любовь человечества к твердым материалам восходит к самым первым дням нашего вида, когда наши предки начали использовать твердые камни, чтобы придавать форму другим более мягким камням, делая из них лезвия. Постепенно их заменяли все более твердыми металлами, пока около 2000 лет не произвели первую сталь. Она оставалась самым твердым известным материалом до 18 века, а потом ученые выяснили, что могут покрывать инструменты алмазами.

Несмотря на очевидную привлекательность для ювелирных изделий, большинство обработанных алмазов используется для создания сверхтвердых покрытий для износостойких инструментов и сверл. В горнодобывающей и нефтяной промышленности такие алмазные инструменты просто необходимы — без них пробиться через сотни метров пород к ценным ресурсам в глубине Земли было бы чрезвычайно трудно, если вообще возможно.

«Твердое покрытие необходимо для разного рода применений, начиная от высокоскоростных режущих инструментов, глубоководных сверл, добычи газа и нефти и заканчивая биомедицинским применением», — говорит Ягдиш Нараян, главный материаловед в Университете штата Северная Каролина.

Чтобы понять, что делает материал твердым, нужно взглянуть на атомную структуру его кристаллов.

Алмазы образуются из тех же атомов углерода, который составляют мягкий графит — его можно найти в сердцевинке любого карандаша. Разница между этими двумя формами углерода заключается в расположении атомов. Графит формируется из листов атомов углерода, расположенных плоскими шестиугольниками, которые удерживаются слабыми силами притяжения между каждым слоем.

В алмазе же атомы углерода удерживаются в форме тетраэдра, которая чрезвычайно жесткая. В сочетании с тем, что углерод образует сильные связи, это и рождает твердость алмаза.

Слово «алмаз», «адамант», «диамант», «diamond» происходит от древнегреческого «адамас», что означает несокрушимый. Правда, при достаточно высоком давлении ломается и алмаз. Крошечные слабинки в кристалле также могут ослабить его, что делает алмаз уязвимым к распаду.

И это создает для ученых проблему: как изучать поведение материалов при высоком давлении, если даже самый твердый встречающийся в природе материал может разрушиться? Нужно найти что-то более стойкое.

Ложная надежда

Вряд ли вас удивит, что поиск сверхтвердого материала начинается с попытки повторить структуру алмаза, но, по правде говоря, существует не так много элементов, способных связываться между собой таким же образом.

Один из таких материалов — нитрид бора. Подобно углероду, этот синтетический материал бывает в нескольких формах, но можно повторить структуру алмаза, заменив атомы углерода атомами азота и бора. Впервые созданный в 1957 году «кубический нитрид бора» был достаточно твердым, чтобы оцарапать алмаз — как заявляли изначально. Но более поздние тесты показали, что этот материал даже и в половину не такой же твердый, как его аналог на основе углерода.

Следующие несколько десятилетий породили ряд разочарований, когда ученые начали искать способы связать три этих элемента — азот, бор и углерод — в разных формах. Из тонких пленок одного из таких материалов, что были созданы в 1972 году, смогли создать форму, имитирующую структуру алмаза; но из недостатков было то, что процесс включал сложную химию и чрезвычайно высокие температуры для производства. И только в 2001 году алмазоподобный нитрид бора был создан учеными Национальной академии наук Украины в Киеве совместно с коллегами из Франции и Германии. И хотя этот новообнаруженный материал был тверже кристаллов кубического нитрида бора, он все еще проигрывал алмазу.

Затем, семь лет назад, Чангфенг Чен, физик из Университета штата Невада, и его коллеги из Шанхайского университета Цзяо Тун в Китае решили, что смогут свергнуть алмаз с пьедестала. Они рассчитали, что причудливая шестиугольная форма нитрида бора, известная как вюрцит нитрида бора, сможет выдержать на 18% больше давления, чем алмаз. Этот редкий материал имеет подобную алмазу и кубическому нитриду бора четырехгранную структуру, только связи сформированы под разными углами. Компьютерное моделирование поведения такого материала под давлением показало, что некоторые из этих связей являются гибкими и переориентируют себя на 90 градусов, оказываясь в условиях напряжения, чтобы его снять.

Хотя связи алмаза аналогичным образом реагируют на давление, вюрцит нитрида бора становится на 80% тверже при более высоком давлении. Загвоздка в том, что его довольно опасно создавать — для этого придется искусственно создать взрывы, которые имитируют условия высокого тепла и давления вулканических взрывов. Очевидно, получить их в достаточных объемах будет весьма трудно. Аналогичные проблемы ограничивают потенциал исследований похожего вещества, известного как лонсдейлит, которое должно быть в состоянии выдерживать на 58% больше давления, чем обычные кристаллы алмаза.

И лишь в последние несколько лет мы начали наблюдать некоторые прорывы. В 2015 году Джагдиш Нараян и его коллеги из Университета штата Северная Каролина расплавили некристаллическую форму углерода (стеклоуглерод) быстрым лазерным импульсом, нагрев ее до 3700 градусов по Цельсию, а после быстро охладили. Это охлаждение, или гашение, привело к созданию Q-углерода, странной, но исключительно прочной аморфной форме углерода. В отличие от других форм углерода, эта магнитная и светится при воздействии света.

Структура этого материала по большей части представлена связями алмазного типа, но также имеет от 10 до 15 процентов связей графитного типа. Испытания показали, что Q-углерод может быть минимум на 60% тверже алмаза, но это еще предстоит утвердить окончательно. Настоящие испытания на твердость требуют сравнения образцов с наконечником, который тверже испытуемого материала. Пытаясь продавить образец Q-углерода двумя заостренными алмазными наконечниками, появляется проблема: алмазные кончики деформируются.

И вот здесь-то могут пригодиться сверхтвердые наковальни Дубровинской. Ее новый материал представляет собой уникальную форму углерода, известную как нанокристаллические алмазные шарики, и, вместо того чтобы состоять из единой кристаллической решетки атомов углерода, он состоит из множества крошечных отдельных кристаллов — каждый в 11 000 раз меньше толщины человеческого волоса — связанных между собой слоем графена, не менее удивительного материала в один атом углерода толщиной.

Если алмазный кристалл начинает уступать при давлении в 120 ГПа, новый материал может выдержать не меньше 460 ГПа. Он даже может пережить сдавливание для генерации давления до 1000 ГПа. Эти крошечные сферы тверже любой другой известной субстанции на планете. Чтобы почувствовать его силу, представьте 3000 взрослых африканских слонов, балансирующих на одной шпильке. «Это самый твердый из всех известных сверхтвердых материалов», говорит Дубровинская.

Нанокристаллические алмазные шарики также прозрачные, что позволяет им выступать в роли крошечных линз, через которые исследователи могут всматриваться в раздавливаемый материал, используя рентгеновское излучение. «Это позволяет нам сдавливать исследуемый материал и наблюдать за происходящим, — говорит Дубровинская. — Достижение сверхвысокого давления открывает новые горизонты для более глубокого понимания материи».

Дубровинская и ее коллеги уже применили это для изучения осмия, металла, который находится в числе наиболее устойчивых к сжатию в мире. Они обнаружили, что осмий может сопротивляться сжатию с давлением более 750 ГПа. В этой точке внутренние электроны, которые обычно тесно связаны с ядром атома металла и являются весьма стабильными, начинают взаимодействовать между собой. Ученые полагают, что это странное поведение может привести к переходу металла из твердого в ранее неизвестное состояние вещества. Было бы весьма интересно изучить, какие свойства осмий при этой приобретает.

Сверхтвердые наноалмазы попросту позволяют создать новые режущие края для резьбы по металлу и камню. В порошкообразной форме такие наноалмазы находят применение в косметической промышленности, поскольку обладают высокой впитывающей способностью. Они также легко впитываются в кожу, унося с собой активные вещества. Медицинская промышленность начинает изучать способы использования наноалмазов для переноса лекарств, например, в процессе химиотерапии в труднодоступных участках тела. Исследования также показали, что наноалмазы могут способствовать росту кости и хряща.

Что самое любопытное, эта недавняя работа может помочь нам раскрыть несколько тайн нашей Солнечной системы. В следующем месяце пройдет международная конференция, на которой эксперты обсудят новые возможности. Если в центре Земли давление, как полагают, доходит до 360 ГПа, в ядре газового гиганта Юпитера давление может достигать невероятных 4500 ГПа.

При таком давлении элементы начинают вести себя странным образом. Водород — в обычном состоянии газ — начинает вести себя как металл, например, и становится способным проводить электричество. Дубровинская и Дубровинский надеются, что их сверхтвердые алмазы могут помочь нам воссоздать эти космические условия. «Мы могли бы смоделировать недра гигантских планет или внеземных суперземель за пределами нашей Солнечной системы. Думаю, еще более удивительно то, что мы можем делать это с помощью чего-то, что можем держать в руках».