Углеродный материал «Супералмаз» имеет уникальные свойства

Как фундаментальный строительный блок природы, углерод не имеет себе равных в своем разнообразии, чтобы сформировать устойчивые структуры с другими элементами и самим собой.

Ли Чжу и Тимоти Штробель из Института Карнеги, предсказали и синтезировали долгожданный класс «супералмазов» - углеродных материалов с настраиваемыми механическими и электронными свойствами. Их работа опубликована Science Advances.

Углерод-борные клатраты

Углерод является четвертым по распространенности элементом во вселенной и является основой жизни, какой мы ее знаем. Он не имеет себе равных в своей способности формировать устойчивые структуры, как в одиночку, так и с другими элементами.

Свойства материала определяются тем, как его атомы связаны, и структурным устройством, которое создают эти связи. Для углеродсодержащих материалов тип соединения определяет разницу между твердостью алмаза, который имеет трехмерные связи sp3, и, например, мягкостью графита, который имеет двумерные связи sp2.

Несмотря на огромное разнообразие углеродных соединений, известно всего несколько трехмерных, sp3-связанных материалов на основе углерода, включая алмаз. Трехмерная структура делает эти материалы очень привлекательными для многих практических применений благодаря ряду свойств, включая прочность, твердость и теплопроводность.

«Помимо алмаза и некоторых его аналогов, которые включают в себя дополнительные элементы, практически не было создано никаких других углеродных материалов sp3, несмотря на многочисленные прогнозы потенциально синтезируемых структур с таким типом связи», - пояснил Штробель. «Следуя химическому принципу, который указывает, что добавление бора в структуру повысит ее стабильность, мы исследовали еще один трехмерный класс углеродных материалов, называемый клатратами, которые имеют решетчатую структуру клеток, которые улавливают другие типы атомов или молекул».

Клатраты, состоящие из других элементов и молекул, являются общими и были синтезированы или найдены в природе. Однако клатраты на основе углерода до сих пор не были синтезированы, несмотря на давние прогнозы их существования. Исследователи пытались создать их более 50 лет.

«Мы использовали передовые инструменты поиска структуры, чтобы предсказать первый термодинамически стабильный клатрат на основе углерода, а затем синтезировали клатратную структуру, которая состоит из углерод-борных клеток, которые улавливают атомы стронция в условиях высокого давления и высоких температур», - сказал Чжу. 

В результате получается трехмерный каркас на основе углерода с алмазоподобным соединением, который можно восстановить в условиях окружающей среды. Но в отличие от алмаза атомы стронция, захваченные в решетку, делают материал металлическим, то есть проводящим электричество, с потенциалом сверхпроводимости при  высокой температуре.

Более того, свойства клатрата могут меняться в зависимости от типов гостевых атомов в решетке.

«Захваченные гостевые атомы сильно взаимодействуют с клетками-хозяевами», - отметил Штробель. «В зависимости от конкретных присутствующих атомов гостя клатрат может быть перенастроен с полупроводника на сверхпроводник, сохраняя при этом прочные алмазоподобные связи. Учитывая большое количество возможных замен, мы представляем совершенно новый класс материалов на основе углерода с настраиваемыми свойствами». 

«Для тех, кто увлекается покемонами или чьи дети любят их, эта клатратная структура на основе углерода похожа на материал Eevee», - пошутил Чжу. «В зависимости от того, какой элемент он захватывает, у него разные способности». опубликовано econet.ru по материалам phys.org

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet