Результаты наблюдений за нанослоями и молекулами под давлением обещают более прочные материалы

Когда дело касается проверки на прочность, графит, представляющий собой слои углеродных атомов, проявляет себя не с лучшей стороны. Но подвергните его сверхвысокому давлению, и графит превратится в алмаз – самую прочную субстанцию из ныне известных и незаменимый материал для целого ряда устройств.

По сравнению с алмазами, большинство материалов, меняющих структуру под высоким давлением, возвращаются к своему прежнему строению, когда давление исчезает. При этом они теряют все полезные свойства, полученные в момент давления.

Недавно, вооружившись теоретическими и экспериментальными данными, ученые продвинулись на пути создания нового типа исключительно прочных, износостойких материалов, которые сохраняют свойства, появляющиеся в условиях высокого давления (включая прочность и сверхпроводимость), в обычных условиях низкого давления, сообщает physorg.com.
Статья об исследовании, которое возглавил Жонгву Ванг (Zhongwu Wang) – научный сотрудник Корнельского генератора высокоэнергетического синхротронного излучения (CHESS), появилась журнале Proceedings of the National Academy of Sciences 12 октября. В иследовании приняли участие нобелевский лауреат 1981 года по химии Роалд Хоффманн (Roald Hoffmann), почетный профессор гуманитарных наук Франк Х.Т.Родес (Frank H.T. Rhodes), ученые из CHESS, научная группа из Южной Кореи и пост-докторант группы Хоффмана Ксяо-донг Вен (Xiao-dong Wen).
Ученые часто используют дифракцию рентгеновских лучей – метод, при котором рентгеновские лучи проектируются на структуру и улавливаются пленкой после того, как проходят сквозь и отражаются от поверхности, определяя статическую структуру атомов и молекул. Но до сих пор преобразование и взаимодействие двух структур происходило в метафорическом «черном ящике».
Чтобы открыть этот «ящик», ученые обратили внимание на вюрцит – кристалл сульфида цинка, атомы которого располагаются в виде алмазоподобной структуры, а молекулы связываются на поверхности. Когда тонкие слои вюрцита оказываются под давлением в 10.7 гигапаскалей , что равняется давлению на поверхности Земли, умноженному в 107 000 раз, их атомная структура превращается в структуру, подобную каменной соли.
Воздействие на макроразмерный кристалл высоким давлением может привести к его разрушению (в результате увеличения небольших дефектов, его структура и трансформационный процесс становятся неправильными). Поэтому группа корейских ученых вместо обычных кристаллов подготовила бездефектные нанослои вюрцита толщиной всего 1.4 нм.
Применяя давление, Ванг и его коллеги объединили две рентгенографические методики (малую- и широкоугольную рентгеновскую дифракцию), чтобы охарактеризовать изменения поверхностной формы кристалла, внутренней атомной структуры, а также структурные изменения связанных с поверхностью молекул.
Сначала они обнаружили, что для трансформации нанослоям требуется давление в три раза больше, чем такому же материалу в более крупной кристаллической форме. Они также проверили предел текучести (уровень напряжения, при котором материал начинает деформироваться), твердость (сопротивление к царапинам и стиранию) и эластичность (способность возвращать свою прежнюю форму) в момент трансформации. Понимание, как эти свойства меняются в ходе взаимодействия молекул, поможет исследователям создавать более прочные, упругие материалы, считает Ванг.
Добавив к поверхности нанослоев, находящихся под высоким давлением, связывающую молекулу (слабый лиганд), исследователи заметили эффект ее соединения с внутренней структурой нанослоев, трансформационным давлением и интервалом.
Пока Ванг и его коллеги экспериментировали в CHESS, Вен и Хоффманн разрабатывали соответствующую теорию трансформационного взаимодействия.
Следующим шагом на пути создания материала, сохраняющего уникальные свойства каменной соли при нормальном атмосферном давлении, будет проверка способов блокирования обратной трансформации – из каменной соли в вюрцит.
Важность данного эксперимента еще и в том, что он позволит разобраться в трансформационных процессах и других веществ.