Прочнее стал: ученые создали электрический «алмаз»
Впервые в мире российским ученым удалось разработать технологию создания качественно новых сверхтвердых материалов. Раньше любые попытки ослабить давление в камере, где изготавливались подобные структуры, приводили к тому, что они распадались. Теперь же найден способ при давлении в 400 тыс. раз выше атмосферного модифицировать материал, который в итоге сохранит свои свойства и при земных условиях. В отличие от природного алмаза, он способен проводить электрический ток. Новый материал можно будет использовать для производства элементов микросхем, деталей космических аппаратов, а также в станкостроении и медицине.
Около абсолютной твердости
Некоторые керамические материалы обладают высокой твердостью и прочностью. Их применяют для буровых инструментов, сенсоров, помещенных в условия экстремальных температур и давления, а также для научных исследований. Проблема в том, что новая керамика, созданная при сверхвысоком давлении, имеет свойство распадаться, едва его снижают. Поэтому использовать такие материалы в обычных условиях невозможно.
Ученые из НИТУ «МИСиС» в сотрудничестве с коллегами из Германии впервые создали материал, модифицированный при давлении в 400 тыс. раз выше атмосферного, который сохранил свои свойства и при земных условиях. Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ).
— Нам впервые удалось повторить то, что раньше делала только природа, создававшая на сверхвысоких давлениях такой уникальный минерал, как алмаз, — сообщил научный руководитель лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС» профессор Игорь Абрикосов. — Можно сказать, что мы открыли главу в создании качественно новых материалов, спектр применения которых выйдет за рамки современных концепций использования твердых веществ. Улучшение их свойств и повышение эффективности методов получения — теперь вопрос времени.
Для эксперимента ученые выбрали рений — довольно дорогой и редкий серебристо-белый металл. Сам по себе рений обладает высокой температурой плавления (3185 °C) и устойчивостью к химическим реагентам.
В эксперименте крохотный кусочек рения помещали между алмазными наковальнями, подавая азот в камеру с этим устройством. Наковальни сжимали, а рений нагревали лазером до температур около 1700 градусов. В результате при давлениях от 400 до 900 тыс. земных атмосфер получилась особая структура — пернитрид рения.
Объемный модуль упругости, то есть способность вещества сопротивляться сжатию рения, составляет около 400 ГПа (Паскаль, сокращенно Па — единица давления), после проведенной модификации он увеличился до 428 ГПа. Для сравнения, у алмаза он равен 441 ГПа. Таким образом, по способности противостоять сжатию твердости модифицированный рений приблизился к самому прочному веществу на планете. Кроме того, за счет азотных включений твердость пернитрида рения выросла в четыре раза по сравнению с исходной — до 37 ГПа.
Алмаз пока остается лидером в списке твердых материалов (115 ГПа), однако ученые надеются догнать это значение. Однако, в отличие от алмаза, пернитрид рения способен проводить электрический ток, следовательно, его можно будет применять для создания контактов или иных элементов микросхем.
Рений против трения
— Основное свойство нового материала — его износостойкость, — поясняет заведующий кафедрой материаловедения и физики металлов НИТУ «МИСиС» Руслан Валиев. — Полагаю, пернитрид рения станет отличной основой для элементов космических аппаратов, которые подвергаются огромным нагрузкам в экстремальных условиях. Использование нового материала позволит облегчить вес космических кораблей и повысить срок службы их деталей. Также его можно использовать для станкостроения, заменяя подверженные износу детали в три-пять раз реже. Впрочем, точную цифру можно будет сказать только после дополнительных испытаний.
Кроме того, новый материал можно будет применять для производства режущих инструментов для многих областей промышленности: начиная от строительства (фрезы, сверла, режущие диски, буры) и заканчивая медициной (производство скальпелей, позволяющих получить ультратонкий рез).
— Основной проблемой, затрудняющей внедрение пернитрида рения в промышленность, может стать стоимость его добычи и производства, — отмечает старший преподаватель кафедры физических проблем материаловедения НИЯУ МИФИ Александр Иванников.
Действительно, алмазная наковальня подходит исключительно для экспериментов — это слишком маленькая, сложная и дорогостоящая установка для производственных масштабов.
Поэтому сейчас ученые создают технологии для синтеза новой модификации материала в более простых условиях. На сегодняшний день физики рассчитали и провели химическую реакцию с добавлением азида аммония в прессе при давлении в 33 ГПа. Ученые провели детальные исследования, чтобы глубже понять свойства нового соединения. При таком давлении материал сильно не изменится, но технология его создания будет гораздо менее затратной.
В планах исследователей пробовать и другие способы получения сверхтвердого материала — например, путем осаждения тонких пленок.
