Lumea din jurul nostru este încă plină de multe mistere, dar chiar și fenomenele și substanțele cunoscute oamenilor de știință de mult timp nu încetează să uimească și să încânte. Admirăm culorile strălucitoare, ne bucurăm de gusturi și folosim proprietățile tot felul de substanțe care ne fac viața mai confortabilă, mai sigură și mai plăcută. În căutarea celor mai fiabile și puternice materiale, omul a făcut multe descoperiri incitante, iar în fața ta o selecție de doar 25 de astfel de compuși unici!

25. Diamante

Dacă nu toată lumea, atunci aproape toată lumea știe asta cu siguranță. Diamantele nu sunt doar una dintre cele mai venerate pietre prețioase, ci și unul dintre cele mai dure minerale de pe Pământ. Pe scara Mohs (o scară de duritate în care o evaluare este dată de reacția unui mineral la zgâriere), diamantul este listat pe a 10-a linie. Există 10 poziții în scară, iar al 10-lea este ultimul și cel mai greu grad. Diamantele sunt atât de dure încât pot fi zgâriate doar cu alte diamante.

24. Pânze de capcană ale speciei de păianjen Caaerostris darwini


Fotografie: pixabay

E greu de crezut, dar rețeaua păianjenului Caerostris darwini (sau păianjenul lui Darwin) este mai puternică decât oțelul și mai tare decât Kevlarul. Această rețea a fost recunoscută drept cel mai dur material biologic din lume, deși acum are un potențial competitor, dar datele nu au fost încă confirmate. Fibra de păianjen a fost testată pentru caracteristici precum deformarea la rupere, rezistența la impact, rezistența la tracțiune și modulul Young (proprietatea unui material de a rezista la întindere, compresie în timpul deformării elastice), iar în toți acești indicatori, pânza s-a arătat într-un mod uimitor. În plus, pânza de capcană a păianjenului Darwin este incredibil de ușoară. De exemplu, dacă ne înfășuram planeta cu fibre de Caaerostris darwini, greutatea unui fir atât de lung va fi de doar 500 de grame. Rețele atât de lungi nu există, dar calculele teoretice sunt pur și simplu uimitoare!

23. Aerografit


Foto: BrokenSphere

Această spumă sintetică este unul dintre cele mai ușoare materiale fibroase din lume și este o rețea de tuburi de carbon de doar câțiva microni în diametru. Aerografitul este de 75 de ori mai ușor decât polistirenul, dar în același timp mult mai puternic și mai ductil. Poate fi comprimat până la de 30 de ori dimensiunea inițială fără a afecta structura sa extrem de elastică. Datorită acestei proprietăți, spuma de airgrafit poate rezista la sarcini de până la 40.000 de ori greutatea proprie.

22. Sticla paladiu metalica


Fotografie: pixabay

O echipă de oameni de știință de la Institutul de Tehnologie din California și Laboratorul Berkeley (Institutul de Tehnologie din California, Laboratorul Berkeley) a dezvoltat noul fel sticlă metalică, combinând o combinație aproape perfectă de rezistență și ductilitate. Motivul unicității noului material constă în faptul că structura sa chimică maschează cu succes fragilitatea materialelor sticloase existente, menținând în același timp un prag de rezistență ridicat, care în cele din urmă crește semnificativ rezistența la oboseală a acestei structuri sintetice.

21. Carbură de wolfram


Fotografie: pixabay

Carbura de tungsten este un material incredibil de dur, cu rezistență ridicată la uzură. LA anumite condiții această îmbinare este considerată a fi foarte fragilă, dar sub sarcină mare prezintă proprietăți plastice unice, manifestându-se sub formă de benzi de alunecare. Datorită tuturor acestor calități, carbura de tungsten este utilizată la fabricarea vârfurilor de perforare a armurii și a diverselor echipamente, inclusiv tot felul de freze, discuri abrazive, burghie, freze, burghie și alte unelte de tăiere.

20. Carbură de siliciu


Foto: Tiia Monto

Carbura de siliciu este unul dintre principalele materiale folosite la fabricarea tancurilor de luptă. Acest compus este cunoscut pentru costul său scăzut, refractaritatea remarcabilă și duritatea ridicată și, prin urmare, este adesea folosit la fabricarea de echipamente sau unelte care trebuie să devieze gloanțe, să taie sau să șlefuiască alte materiale dure. Carbura de siliciu produce abrazivi, semiconductori și chiar inserții excelente Bijuterii imitând diamantele.

19. Nitrură de bor cubică


Foto: wikimedia commons

Nitrura de bor cubică este un material foarte dur, asemănător ca duritate cu diamantul, dar are și o serie de avantaje distinctive - stabilitate la temperaturi ridicate și rezistență chimică. Nitrura de bor cubică nu se dizolvă în fier și nichel chiar și sub influența temperaturilor ridicate, în timp ce diamantul în aceleași condiții intră în reacții chimice destul de repede. De fapt, acest lucru este benefic pentru utilizarea sa în instrumentele industriale de șlefuit.

18. Polietilenă cu greutate moleculară ultra mare (UHMWPE), marca din fibre Dyneema


Foto: Justsail

Polietilena cu modul înalt are rezistență la uzură extrem de ridicată, coeficient scăzut de frecare și rezistență ridicată la rupere (fiabilitate la temperaturi scăzute). Astăzi este considerată cea mai puternică substanță fibroasă din lume. Cel mai uimitor lucru la această polietilenă este că este mai ușoară decât apa și poate opri gloanțe în același timp! Cablurile și frânghiile din fibre Dyneema nu se scufundă în apă, nu au nevoie de lubrifiere și nu își schimbă proprietățile atunci când sunt umede, ceea ce este foarte important pentru construcțiile navale.

17. Aliaje de titan


Foto: Alchemist-hp (pse-mendelejew.de)

Aliajele de titan sunt incredibil de ductile și arată o rezistență uimitoare atunci când sunt întinse. În plus, au rezistență ridicată la căldură și rezistență la coroziune, ceea ce le face extrem de utile în domenii precum avioane, rachete, construcții navale, chimie, alimentare și ingineria transporturilor.

16. Aliaj de metal lichid


Fotografie: pixabay

Dezvoltat în 2003 la Institutul de Tehnologie din California, acest material este renumit pentru rezistența și durabilitatea sa. Numele compusului este asociat cu ceva fragil și lichid, dar la temperatura camerei este de fapt neobișnuit de dur, rezistent la uzură, nu se teme de coroziune și se transformă atunci când este încălzit, ca materialele termoplastice. Principalele domenii de aplicare de până acum sunt fabricarea de ceasuri, crose de golf și huse pentru telefoane mobile (Vertu, iPhone).

15. Nanoceluloză


Fotografie: pixabay

Nanoceluloza este izolată din fibrele de lemn și este un nou tip de material lemnos, care este chiar mai rezistent decât oțelul! În plus, nanoceluloza este și mai ieftină. Inovația are un potențial mare și ar putea concura serios cu fibra de sticlă și carbon în viitor. Dezvoltatorii cred că acest material va fi în curând la mare căutare în producția de armuri de armată, ecrane super-flexibile, filtre, baterii flexibile, aerogeluri absorbante și biocombustibili.

14. Dinți de melci de tip „farfurioară de mare”.


Fotografie: pixabay

Mai devreme, v-am povestit deja despre pânza de capcană a păianjenului lui Darwin, care a fost odată recunoscut drept cel mai durabil material biologic de pe planetă. Cu toate acestea, un studiu recent a arătat că limpeta este cea mai durabilă substanță biologică cunoscută de știință. Da, acești dinți sunt mai puternici decât pânza lui Caaerostris darwini. Și acest lucru nu este surprinzător, deoarece micile creaturi marine se hrănesc cu algele care cresc pe suprafața stâncilor dure, iar aceste animale trebuie să muncească din greu pentru a separa hrana de stâncă. Oamenii de știință sunt de părere că în viitor vom putea folosi exemplul structurii fibroase a dinților limpetelor în industria ingineriei și vom începe să construim mașini, bărci și chiar avioane de rezistență sporită, inspirate din exemplul melcilor simpli.

13. Maraging oțel


Fotografie: pixabay

Oțelul Maraging este un aliaj de înaltă rezistență și aliaj înalt, cu o ductilitate și duritate excelente. Materialul este utilizat pe scară largă în știința rachetelor și este folosit pentru a face tot felul de unelte.

12. Osmiu


Foto: Periodictableru / www.periodictable.ru

Osmiul este un element incredibil de dens și, datorită durității și punctului de topire ridicat, este dificil de prelucrat. De aceea, osmiul este folosit acolo unde durabilitatea și rezistența sunt cel mai apreciate. Aliajele de osmiu se găsesc în contactele electrice, rachete, proiectile militare, implanturi chirurgicale și multe alte aplicații.

11. Kevlar


Foto: wikimedia commons

Kevlarul este o fibră de înaltă tenacitate găsită în anvelope auto, plăcuțe de frână, cabluri, produse protetice și ortopedice, blindaje corporale, țesături de îmbrăcăminte de protecție, construcții navale și părți ale vehiculelor aeriene fără pilot aeronave. Materialul a devenit aproape sinonim cu rezistența și este un tip de plastic cu rezistență și elasticitate incredibil de ridicate. Rezistența la tracțiune a Kevlarului este de 8 ori mai mare decât cea a sârmei de oțel și începe să se topească la o temperatură de 450℃.

10. Polietilenă cu greutate moleculară ultra mare de înaltă densitate, marca de fibre „Spectra” (Spectra)


Foto: Tomas Castelazo, www.tomascastelazo.com / Wikimedia Commons

UHMWPE este în esență un plastic foarte durabil. Spectra, marca UHMWPE, este, la rândul său, o fibră ușoară cu cea mai mare rezistență la uzură, de 10 ori superioară oțelului în acest indicator. La fel ca și Kevlarul, spectrul este folosit la fabricarea de armuri și căști de protecție. Alături de UHMWPE, spectrul dainimo este popular în industria construcțiilor navale și a transporturilor.

9. Grafen


Fotografie: pixabay

Grafenul este o modificare alotropică a carbonului, iar rețeaua sa cristalină, cu o grosime de doar un atom, este atât de puternică încât este de 200 de ori mai dur decât oțelul. Grafenul arată ca o folie alimentară, dar spargerea lui este o sarcină aproape imposibilă. Pentru a perfora o foaie de grafen, trebuie să înfigeți un creion în ea, pe care va trebui să echilibrați o încărcătură cu greutatea unui întreg autobuz școlar. Mult noroc!

8. Hârtie cu nanotuburi de carbon


Fotografie: pixabay

Datorită nanotehnologiei, oamenii de știință au reușit să producă hârtie de 50.000 de ori mai subțire decât părul uman. Foile de nanotuburi de carbon sunt de 10 ori mai ușoare decât oțelul, dar cel mai uimitor lucru este că sunt de până la 500 de ori mai puternice! Plăcile de nanotuburi macroscopice sunt cele mai promițătoare pentru fabricarea electrozilor supercondensatori.

7. Microgrilă metalică


Fotografie: pixabay

Iată cel mai ușor metal din lume! Microgridul metalic este un material sintetic poros care este de 100 de ori mai ușor decât spuma. Dar lasa-l aspect Nu vă lăsați păcăliți, aceste micro-rețele sunt, de asemenea, incredibil de puternice, ceea ce le face un potențial mare de utilizare în tot felul de aplicații de inginerie. Ele pot fi folosite pentru a face amortizoare și izolatori termici excelente, iar capacitatea uimitoare a acestui metal de a se micșora și de a reveni la starea inițială îi permite să fie folosit pentru a stoca energie. Microrețelele metalice sunt, de asemenea, utilizate în mod activ în producția de diferite piese pentru avioane. companie americană Boeing.

6. Nanotuburi de carbon


Foto: utilizator Mstroeck / en.wikipedia

Mai sus, am vorbit deja despre plăci de nanotuburi de carbon macroscopice ultra-rezistente. Dar ce fel de material este acesta? De fapt, acestea sunt avioane de grafen rostogolite într-un tub (al 9-lea punct). Rezultatul este un material incredibil de ușor, rezistent și durabil pentru o gamă largă de aplicații.

5. Aerograf


Foto: wikimedia commons

Cunoscut și sub numele de aerogel cu grafen, acest material este extrem de ușor și puternic în același timp. Noul tip de gel a înlocuit complet faza lichidă cu una gazoasă și se caracterizează prin duritate senzațională, rezistență la căldură, densitate scăzută și conductivitate termică scăzută. Incredibil, aerogelul cu grafen este de 7 ori mai ușor decât aerul! Compusul unic este capabil să-și recapete forma inițială chiar și după o compresie de 90% și poate absorbi de până la 900 de ori greutatea uleiului folosit pentru a absorbi aerograful. Poate că în viitor această clasă de materiale va ajuta în lupta împotriva dezastrelor ecologice, cum ar fi scurgerile de petrol.

4. Material fără nume, dezvoltarea Institutului de Tehnologie din Massachusetts (MIT)


Fotografie: pixabay

Pe măsură ce citiți asta, o echipă de oameni de știință de la MIT lucrează pentru a îmbunătăți proprietățile grafenului. Cercetătorii au spus că au reușit deja să transforme structura bidimensională a acestui material în tridimensională. Noua substanță grafenă nu și-a primit încă numele, dar se știe deja că densitatea sa este de 20 de ori mai mică decât cea a oțelului, iar rezistența sa este de 10 ori mai mare decât cea a oțelului.

3. Carabină


Foto: Smokefoot

Chiar dacă este vorba doar de lanțuri liniare de atomi de carbon, carbyne are o rezistență la tracțiune de două ori mai mare decât grafenul și este de trei ori mai dur decât diamantul!

2. Modificare wurtzită cu nitrură de bor


Fotografie: pixabay

Această substanță naturală nou descoperită se formează în timpul erupțiilor vulcanice și este cu 18% mai dură decât diamantele. Cu toate acestea, depășește diamantele într-o serie de alți parametri. Nitrura de bor Wurtzite este una dintre cele două substanțe naturale găsite pe Pământ, care este mai dure decât diamantul. Problema este că există foarte puține astfel de nitruri în natură și, prin urmare, nu sunt ușor de studiat sau aplicat în practică.

1. Lonsdaleite


Fotografie: pixabay

Cunoscut și sub numele de diamant hexagonal, lonsdaleitul este alcătuit din atomi de carbon, dar în această modificare, atomii sunt aranjați ușor diferit. La fel ca nitrura de bor wurtzita, lonsdaleitul este o substanță naturală care este mai dura decât diamantul. În plus, acest mineral uimitor este mai dur decât diamantul cu până la 58%! La fel ca nitrura de bor wurtzita, acest compus este extrem de rar. Uneori, lonsdaleitul se formează în timpul unei coliziuni cu Pământul de meteoriți, care includ grafitul.

Numirea celei mai dure substanțe din lume nu este atât de ușor pe cât ar părea la început. Cert este că duritatea materialelor poate varia în funcție de unii factori externi. În special, poate, destul de ciudat, să fie diferit atunci când sarcina aplicată se modifică.

Timp de mulți ani, diamantul a fost considerat standardul durității. Totuși, de ce a fost luat în considerare? În lumea materialelor, duritatea sa este încă reperul. Orice lucru care este inferior diamantului ca duritate, dar se apropie de el în acest indicator, se numește superhard. Iar substanțele care sunt mai dure decât diamantul poartă numele mândru de „ultra puternic”.

Și aici mulți cititori se pot îndoi. La urma urmei, nu cu mult timp în urmă, chiar și în școli, ei au învățat că nu există nimic mai greu decât un diamant în natură și mulți și-au amintit acest adevăr. Dar toate adevărurile sunt relative, după cum spun filozofii. S-au schimbat și informațiile despre „cel mai dur diamant” din vremea noastră.

Deci, ce este mai greu decât diamantul?

Să începem cu faptul că diamantele variază și ca duritate. Duritatea materialelor se măsoară în gigapascali (GPa). Deci, pentru diferite diamante, acest indicator poate varia de la 70 la 150 GPa. De acord, răspândirea este foarte semnificativă! Limita superioară a puterii aparține așa-numitelor diamante negre, „carbonado”. În forma lor naturală, se găsesc în cantități extrem de mici în Brazilia și Africa de Sud.

Dacă diamantul „obișnuit” constă dintr-un singur cristal, atunci carbonado-ul este alcătuit dintr-un număr mare de cristale de carbon, între care există goluri. S-a stabilit că aceste diamante nu se formează la presiuni mari, ci la cele obișnuite și se găsesc doar pe suprafața Pământului. O teorie larg răspândită este că carbonados au fost aduși pe planeta noastră de un asteroid care a apărut ca urmare a exploziei unei supernove.

Deci, carbonado este mult mai greu decât un diamant „obișnuit”, dar este totuși un diamant. Și există substanțe care nu sunt deloc diamante, dar sunt mai dure decât ele și chiar mai dure decât carbonado. Aici sunt ei:

  • fullerită;
  • lonsdaleit;
  • nitrură de bor wurtzidă.

Acesta este un material complet artificial care nu se găsește în natură. Duritatea sa este estimată la 310 GPa. Un „creion” realizat din acest material va zgâria cu ușurință o placă de diamant. Fulleritele constau din molecule de fuleren sintetizate în 1985. Pentru această descoperire, autorii ei au primit, printre altele, Premiul Nobel la chimie!

Interesant este că pentru o lungă perioadă de timp, fullerita a fost o substanță incredibil de scumpă și rară, deoarece sinteza ei necesită presiuni monstruos de mari. Dar acum câțiva ani, fizicienii ruși, în colaborare cu francezii, au reușit să ocolească acest obstacol. Acum substanța poate fi creată deja în condiții relativ simple.

Această substanță se numește „diamant hexagonal” deoarece constă din grafit, doar modificat. În natură, se găsește foarte rar în cratere de meteoriți, dar acolo duritatea sa este chiar inferioară celei a carbonado-ului. Totul este despre impuritățile care sunt în mod necesar prezente în mostrele naturale de lonsdaleit.

Pentru ca această substanță să scape de impurități și să obțină duritatea maximă, ea, în prezența unei presiuni enorme. Duritatea lonsdaleitei „pure” este estimată la 170 - 220 GPa.

Nu toți oamenii de știință cred că este mai greu decât diamantul. Cu alte cuvinte, locul al treilea al lui este încă disputat. Cert este că, în starea sa normală, nitrura de bor, deși foarte tare, nu aparține totuși unor substanțe ultra tari, ci super-dure.

Totul se schimbă atunci când se pune presiune asupra structurii sale. Legăturile atomice ale acestei substanțe sunt aranjate în așa fel încât atunci când presiunea crește, se „rearanjează”, iar apoi nitrura de bor devine mai tare decât diamantul!

Astfel, prin definirea celei mai dure substanțe din lume, ne-am familiarizat cu substanțe interesante și, în același timp, am scăpat de mitul obișnuit despre „cel mai dur diamant”.

Toată lumea știe că în acest moment diamantul este standardul durității, adică. la determinarea durității materialului, se ia ca bază indicele de duritate al diamantului. În articolul nostru, ne vom uita la cele mai dure zece materiale din lume și vom vedea cât de dure sunt în raport cu diamantul. Un material este considerat superhard dacă valorile sale sunt peste 40 GPa. Trebuie avut în vedere faptul că duritatea materialului poate varia în funcție de factori externi, în special de sarcina aplicată acestuia. Așadar, iată cele mai dure zece materiale din lume.

10. Suboxid de bor

Suboxidul de bor este format din boabe având forma de douăzeci de edre convexe. Aceste boabe, la rândul lor, constau din douăzeci de cristale poliedrice, ale căror fețe sunt patru triunghiuri. Suboxidul de bor are o rezistență crescută de 45 GPa.

9. Diborura de reniu

Diborura de reniu este foarte material interesant. La sarcini mici, se comportă ca un superhard, având o rezistență de 48 GPa, iar sub sarcină duritatea sa scade la 22 GPa. Acest fapt provoacă discuții aprinse în rândul oamenilor de știință din întreaga lume cu privire la dacă diborura de ren ar trebui considerată un material foarte dur.

8. Borura de magneziu aluminiu

Borura de magneziu aluminiu este un aliaj de aluminiu, magneziu și bor. Acest material are rate incredibil de scăzute de frecare de alunecare. Această proprietate unică ar putea fi o adevărată descoperire în producerea diferitelor mecanisme, deoarece piesele din borură de magneziu-aluminiu sunt capabile să funcționeze fără lubrifiere. Din păcate, aliajul este incredibil de scump, ceea ce blochează în prezent aplicarea sa largă. Duritatea borurii de magneziu-aluminiu este de 51 GPa.

7. Bor-carbon-siliciu

Compusul bor-carbon-siliciu are o rezistență incredibilă la temperaturi extreme și la atacul chimic. Duritatea bor-carbon-siliciu este de 70 GPa.

6. Carbură de bor

Carbura de bor a fost descoperită în secolul al XVIII-lea și a început să fie folosit aproape imediat în multe industrii. Este folosit la prelucrarea metalelor și aliajelor, la fabricarea articolelor din sticlă chimică, precum și în energie și electronică. Este folosit ca material de bază pentru plăcile de blindaj. Duritatea carburii de bor este de 49 GPa, iar prin adăugarea de argon sub formă de ioni la aceasta, această cifră poate fi crescută la 72 GPa.

5. Nitrură de carbon-bor

Nitrura de carbon-bor este unul dintre reprezentanții realizărilor chimiei moderne, a fost sintetizată relativ recent, duritatea nitrurii de carbon-bor este de 76 GPa.

4. Cubonit nanostructurat

Cubonitul nanostructurat are alte denumiri: kingsongite, borazone sau elbor. Materialul are indicatori de duritate apropiati de diamant si este folosit cu succes in industrie la prelucrarea diferitelor metale si aliaje. Duritatea cubonitei nanostructurate este de 108 GPa.

3. Wurtzit nitrură de bor

Structura cristalelor acestei substanțe are o formă specială de wurtzită, ceea ce îi permite să fie unul dintre liderii în duritate. Când se aplică o sarcină, legăturile dintre atomii din rețeaua cristalină sunt redistribuite și duritatea materialului crește cu aproape 75%! Duritatea nitrurii de bor wurtzite este de 114 GPa.

2. Lonsdaleite

Lonsdaleitul este foarte asemănător ca structură cu diamantul, deoarece ambele sunt modificări alotropice ale carbonului. Lonsdaleitul a fost descoperit în pâlnia unui meteorit, unul dintre componentele căruia era grafitul. Se pare că din încărcăturile cauzate de explozia meteoritului, grafitul s-a transformat în lonsdaleit. Când a fost descoperită, lonsdaleitul nu a arătat nicio duritate campion specială, cu toate acestea, s-a dovedit că, în absența impurităților în ea, va fi mai greu decât diamantul! Duritatea dovedită a lonsdaleitului este de până la 152 GPa

1. Fullerită

Este timpul să luăm în considerare cea mai dură substanță din lume - fullerita. Fullerita este un cristal care constă mai degrabă din molecule decât din atomi individuali. Datorită acestui fapt, fullerita are o duritate fenomenală, este capabilă să zgârie ușor un diamant, la fel ca oțelul zgârie plasticul! Duritatea fulleritei este de 310 GPa.

fullerită

Am dat o listă cu cele mai dure materiale din lume în acest moment. După cum vedeți, printre ele există suficiente substanțe mai dure decât diamantul și, poate, ne așteaptă mai multe descoperiri noi, care vor face posibilă obținerea de materiale cu duritate și mai mare!

Definiția rezistenței se referă la capacitatea materialelor de a rezista distrugerii ca urmare a forțelor externe și a factorilor care duc la stresul intern. Materialele cu rezistență ridicată au o gamă largă de aplicații. În natură, eu exist nu numai metale dureși specii de lemn durabil, dar și materiale de înaltă rezistență create artificial. Mulți oameni cred că cel mai dur material din lume este diamantul, dar este chiar adevărat?

Informatii generale:

    Data deschiderii - începutul anilor 60;

    Pionierii - Sladkov, Kudryavtsev, Korshak, Kasatkin;

    Densitate - 1,9-2 g/cm3.

Recent, oamenii de știință din Austria au finalizat lucrările privind stabilirea unei producții durabile de carabină, care este o formă alotropică de carbon bazată pe hibridizarea sp a atomilor de carbon. Indicatorii săi de rezistență sunt de 40 de ori mai mari decât cei ai diamantului. Informații despre aceasta au fost plasate într-unul dintre numerele revistei științifice tipărite „Materiale din natură”.

După un studiu amănunțit al proprietăților sale, oamenii de știință au explicat că din punct de vedere al rezistenței nu poate fi comparat cu niciun material descoperit și studiat anterior. Cu toate acestea, în timpul procesului de producție au apărut dificultăți semnificative: structura carabinei este formată din atomi de carbon asamblați în lanțuri lungi, ca urmare a cărora începe să se descompună în timpul procesului de producție.

Pentru a elimina problema identificată, fizicienii de la universitatea publică din Viena au creat un strat protector special în care a fost sintetizată carabina. Straturile de grafen stivuite unul peste altul și rulate într-un „termos” au fost folosite ca acoperire de protecție. În timp ce fizicienii s-au luptat să obțină forme stabile, au descoperit că proprietățile electrice ale unui material sunt afectate de lungimea lanțului atomic.

Cercetătorii nu au învățat încă cum să extragă carabina dintr-un strat protector fără deteriorare, așa că studiul unui nou material continuă, oamenii de știință sunt ghidați doar de stabilitatea relativă a lanțurilor atomice.

Carbin este o modificare alotropică slab studiată a carbonului, ai cărei descoperitori au fost chimiști sovietici: A.M. Sladkov, Yu.P. Kudryavtsev, V.V. Korshak și V.I. Kasatochkin. Informații despre rezultatul experimentului cu descriere detaliata descoperirea materialului în 1967 a apărut pe paginile uneia dintre cele mai mari reviste științifice - „Rapoartele Academiei de Științe a URSS”. 15 ani mai târziu în american jurnal stiintific Science a publicat un articol care punea sub semnul întrebării rezultatele obținute de chimiștii sovietici. S-a dovedit că semnalele atribuite modificării alotropice puțin studiate a carbonului ar putea fi asociate cu prezența impurităților de silicat. De-a lungul anilor, semnale similare au fost găsite în spațiul interstelar.

Informatii generale:

    Pionierii - Geim, Novoselov;

    Conductivitate termică - 1 TPa.

Grafenul este o modificare alotropică bidimensională a carbonului, în care atomii sunt combinați într-o rețea hexagonală. În ciuda rezistenței ridicate a grafenului, grosimea stratului său este de 1 atom.

Pionierii materialului au fost fizicienii ruși, Andrey Geim și Konstantin Novoselov. În propria lor țară, oamenii de știință nu și-au asigurat sprijin financiar și au decis să se mute în Țările de Jos și în Regatul Unit al Marii Britanii și Irlandei de Nord. În 2010, oamenii de știință au primit Premiul Nobel.

Pe o foaie de grafen, a cărui suprafață este de un metru pătrat, iar grosimea este de un atom, obiectele care cântăresc până la patru kilograme sunt ținute liber. Pe lângă faptul că este un material foarte durabil, grafenul este și foarte flexibil. Dintr-un material cu astfel de caracteristici, în viitor va fi posibil să țeseți fire și alte structuri de frânghie care nu sunt inferioare ca rezistență față de o frânghie groasă de oțel. În anumite condiții, materialul descoperit de fizicienii ruși poate face față deteriorării structurii cristaline.

Informatii generale:

    Anul deschiderii - 1967;

    Culoare - maro-galben;

    Densitatea măsurată - 3,2 g/cm3;

    Duritate - 7-8 unități pe scara Mohs.

Structura lonsdaleitului, găsită într-o pâlnie de meteorit, este similară cu diamantul, ambele materiale sunt modificări alotropice ale carbonului. Cel mai probabil, în urma exploziei, grafitul, care este una dintre componentele meteoritului, s-a transformat în lonsdaleit. La momentul descoperirii materialului, oamenii de știință nu au observat indicatori de duritate ridicat, cu toate acestea, s-a dovedit că, dacă nu există impurități în el, atunci nu va fi inferior durității ridicate a diamantului.

Informații generale despre nitrura de bor:

    Densitate - 2,18 g / cm3;

    Punct de topire - 2973 grade Celsius;

    Structură cristalină - rețea hexagonală;

    Conductivitate termică - 400 W / (m × K);

    Duritate - mai puțin de 10 unități pe scara Mohs.

Principalele diferențe ale nitrurii de bor wurtzite, care este un compus de bor cu azot, sunt rezistența termică și chimică și rezistența la foc. Materialul poate fi de diferite forme cristaline. De exemplu, grafitul este cel mai moale, dar stabil, este folosit în cosmetologie. Structura sfaleritei din rețeaua cristalină este similară cu diamantele, dar inferioară ca moliciune, având în același timp o rezistență chimică și termică mai bună. Astfel de proprietăți ale nitrurii de bor wurtzite fac posibilă utilizarea acesteia în echipamente pentru procese la temperatură înaltă.

Informatii generale:

    Duritate - 1000 Gn/m2;

    Rezistenta - 4 Gn/m2;

    Anul descoperirii sticlei metalice este 1960.

Sticla metalica este un material cu un indice de duritate ridicat, o structura dezordonata la nivel atomic. Principala diferență dintre structura sticlei metalice și a sticlei obișnuite este conductivitatea sa electrică ridicată. Astfel de materiale sunt obținute ca rezultat al unei reacții în stare solidă, al răcirii rapide sau al iradierii ionice. Oamenii de știință au învățat să inventeze metale amorfe, a căror rezistență este de 3 ori mai mare decât cea a aliajelor de oțel.

Informatii generale:

    Limita elastica - 1500 MPa;

    KCU - 0,4-0,6 MJ/m2.

Informatii generale:

    Rezistența la impact KST - 0,25-0,3 MJ / m2;

    Limita elastica - 1500 MPa;

    KCU - 0,4-0,6 MJ/m2.

Oțelurile Maraging sunt aliaje de fier cu rezistență mare la impact, fără a pierde ductilitate. În ciuda acestor caracteristici, materialul nu ține marginea de tăiere. Aliajele obținute prin tratament termic sunt substanțe cu conținut scăzut de carbon care iau rezistență din compușii intermetalici. Compoziția aliajului include nichel, cobalt și alte elemente care formează carburi. Acest tip de oțel de înaltă rezistență, înalt aliat, este ușor de prelucrat, acest lucru se datorează conținutului scăzut de carbon din compoziția sa. Un material cu astfel de caracteristici și-a găsit aplicație în domeniul aerospațial, este folosit ca acoperire pentru corpurile de rachete.

Osmiu

Informatii generale:

    Anul deschiderii - 1803;

    Structura zăbrelei este hexagonală;

    Conductivitate termică - (300 K) (87,6) W / (m × K);

    Punct de topire - 3306 K.

Un metal alb-albăstrui strălucitor cu rezistență ridicată aparține platinoizilor. Osmiul, având o densitate atomică mare, refractaritate excepțională, fragilitate, rezistență ridicată, duritate și rezistență la stres mecanic și influență agresivă mediu inconjurator, este utilizat pe scară largă în chirurgie, tehnologia de măsurare, industria chimică, microscopie electronică, tehnologia rachetelor și echipamente electronice.

Informatii generale:

    Densitate - 1,3-2,1 t / m3;

    Rezistența fibrei de carbon este de 0,5-1 GPa;

    Modulul de elasticitate al fibrei de carbon de înaltă rezistență este de 215 GPa.

Compozitele carbon-carbon sunt materiale care constau dintr-o matrice de carbon, care la rândul ei este întărită cu fibre de carbon. Principalele caracteristici ale compozitelor sunt rezistența ridicată, flexibilitatea și rezistența la impact. Structura materialelor compozite poate fi fie unidirecțională, fie tridimensională. Datorită acestor calități, compozitele sunt utilizate pe scară largă în diverse domenii, inclusiv în industria aerospațială.

Informatii generale:

    Anul oficial al descoperirii păianjenului este 2010;

>Rezistența la impact a benzii este de 350 MJ/m3.

Pentru prima dată, în apropierea Africii, în statul insular Madagascar, a fost descoperit un păianjen care țesea pânze uriașe. Oficial, acest tip de păianjen a fost descoperit în 2010. Oamenii de știință, în primul rând, au fost interesați de pânzele țesute de artropode. Diametrul cercurilor de pe firul purtător poate ajunge până la doi metri. Pânza lui Darwin este mai durabilă decât Kevlarul sintetic utilizat în industria aviației și auto.

Informatii generale:

    Conductivitate termică - 900-2300 W / (m × K);

    Temperatura de topire la o presiune de 11 GPa - 3700-4000 grade Celsius;

    Densitate - 3,47-3,55 g/cm3;

    Indicele de refracție este 2,417-2,419.

Diamantul în greaca veche înseamnă „indestructibil”, dar oamenii de știință au descoperit încă 9 elemente care îl depășesc din punct de vedere al forței. În ciuda existenței nesfârșite a diamantului într-un mediu obișnuit, la temperatură ridicată și un gaz inert, acesta se poate transforma în grafit. Diamantul este un element de referință (pe scara Mohs), care are una dintre cele mai mari valori de duritate. Ea, ca multe pietre prețioase, este caracterizată de luminiscență, care îi permite să strălucească atunci când este expus la lumina soarelui.

Materiale dure astăzi

Cel mai dur dintre materialele existente în prezent este fullerita ultradură (aproximativ 1,17-1,52 mai tare decât diamantul). Cu toate acestea, acest material este disponibil numai în cantități microscopice. Cea mai dură substanță comună este diamantul. În plus, există informații că un grup de oameni de știință americani și chinezi a reușit să demonstreze că lonsdaleitul special prelucrat este cu 58% mai dur decât diamantul.

Lonsdaleite este una dintre modificările alotropice ale carbonului. Structura sa rețelei cristaline seamănă cu cea a unui diamant. Pentru aceasta, acest material a primit un al doilea nume - diamant hexagonal. Diferența constă în faptul că celula unitară a lonsdaleitului conține patru atomi, iar celula diamantului conține opt. Cu toate acestea, potrivit cercetătorilor, este puțin probabil ca noul material să găsească aplicații practice, așa că nu are sens să luăm în considerare proprietățile sale teoretice momentan.

Fullerită este un cristal molecular, în nodurile rețelei ale căruia se află molecule de fuleren.

Diamant- mineral, una dintre formele alotrope ale carbonului.

Duritate- proprietatea unui material de a rezista la pătrunderea altui corp, mai solid, în el.

FULLERITE - O NOUA FORMA DE CARBON

material nou pentru cercetare

I. V. ZOLOTUKHIN, Universitatea Tehnică Voronezh

INTRODUCERE

În 1990, a apărut un boom în rândul fizicienilor și chimiștilor muncă de cercetare, cauzat de un mesaj despre primirea unei substanțe noi - fullerită, constând din molecule de carbon - fulerene. Structura fulleritei, proprietățile sale, metodele de obținere - toate aceste probleme au fost în centrul atenției cercetătorilor. S-au deschis cele mai bogate oportunități pentru crearea diferitelor tipuri de compuși și structuri cu proprietăți fizice și chimice neobișnuite pe baza unei noi substanțe.

Fullerita este o modificare alotropică a carbonului. Prin urmare, înainte de a trece la luarea în considerare a structurii, proprietăților și posibilelor zone de aplicare, să ne amintim cele mai apropiate „rude” ale noii substanțe - grafitul și diamantul.

Una dintre modificările cristaline ale carbonului este grafit. Acest minunat material își găsește o largă aplicație în cele mai diverse domenii ale activității umane - de la fabricarea creionului duce la unități de moderare a neutronilor din reactoarele nucleare.

Dispunerea atomilor de carbon în structura cristalină a grafitului este foarte neobișnuită. Atomii individuali, conectându-se între ei, formează inele hexagonale care formează o rețea asemănătoare unui fagure. Multe astfel de grile sunt aranjate una deasupra celeilalte în straturi. Distanța dintre atomii aflați la vârfurile hexagoanelor regulate este de 0,142 nm. Atomii învecinați din fiecare strat sunt legați prin legături covalente foarte puternice, astfel încât stratul de atomi care formează o rețea hexagonală este suficient de puternic și stabil. Dar straturile din grafit se află la o distanță destul de respectuoasă unul de celălalt: este egal cu 0,335 nm, care este mai mult de două ori distanța dintre atomii de carbon dintr-o grilă hexagonală. Distanța mare dintre straturi determină slăbiciunea forțelor care leagă straturile. O astfel de structură - straturi puternice, slab interconectate - determină proprietățile specifice ale grafitului: duritate scăzută și capacitatea de a se delamina cu ușurință în fulgi mici.

Diamantul este unic

O altă modificare cristalină a carbonului este diamantul este o substanță complet unică. Fiecare atom de carbon din structura diamantului este situat în centrul unui tetraedru, ale cărui vârfuri sunt cei mai apropiați patru atomi. Atomii învecinați sunt legați prin legături covalente. Această structură determină proprietățile diamantului - cea mai dură substanță cunoscută pe Pământ.

Studiul acestor două forme de carbon pur are o istorie lungă. LA timp diferit chimiști remarcabili și oamenii de știință din materiale au descoperit alte forme de carbon, cum ar fi carbonul amorf, carbina, carbonul alb etc. Cu toate acestea, toate aceste forme sunt compozite, adică un amestec de fragmente mici de grafit și diamant. Până de curând, se credea că există doar două moduri de aranjare a atomilor de carbon în spațiu, ceea ce făcea posibilă obținerea unei forme cristaline de carbon. Această stare de lucruri trebuie privită ca fiind foarte surprinzătoare. De fapt, peste un milion de compuși ai carbonului cu alte elemente sunt acum cunoscuți. Studiul lor este subiectul unei secțiuni uriașe a științei - Chimie organica. În același timp, cercetările în domeniul chimiei carbonului pur au început relativ recent. În ultimii 10 ani, cercetarea fundamentală a fost marcată de un succes remarcabil în obținerea unei a treia forme fundamental noi de carbon pur, care va fi discutată mai jos.

FULLERENES - O FORMA MOLECULARA DE CARBON

Noua formă de carbon este în esență nouă. Spre deosebire de primele două, grafitul și diamantul, a căror structură este o rețea periodică de atomi, a treia formă de carbon pur este moleculară. Aceasta înseamnă că elementul minim al structurii sale nu este un atom, ci o moleculă de carbon. Ce moleculă! Se pare că moleculele de carbon pur sunt o suprafață închisă care are forma unei sfere sau sferoide. Astfel de molecule au fost numite fulerene în onoarea inventatorului și arhitectului american Richard Buckminster Fuller, care a primit un brevet în 1954 pentru construirea de structuri sub formă de hexagoane și pentagoane care alcătuiesc o emisferă sau emisferoid, care pot fi folosite ca acoperișuri ale clădirilor mari. (circuri, pavilioane expoziționale etc.) .

Un mare interes pentru carbonul molecular a apărut în 1985, când a fost descoperită molecula C60 cu 60 de atomi. În plus, au fost găsite molecule C70, C76, C84 etc.. Toate au forma unei suprafețe închise pe care se află atomi de carbon.

Structura fulerenelor

Principalul element structural al fulerenelor este un hexagon cu atomi de carbon localizați la vârfurile sale. După cum am văzut mai devreme, hexagoane similare sunt, de asemenea, caracteristice structurii de grafit. Pe baza acestui fapt, este logic să presupunem că grafitul ar trebui să fie utilizat ca materie primă pentru sinteza fulerenelor. Așa se întâmplă de fapt. Acum este ferm stabilit că cel mai mult mod eficient Pentru a obține fulerene este descompunerea termică a structurii stratificate a grafitului în fragmente mici, din care apoi se formează C60 și alte molecule de carbon închise.

Dacă presupunem că molecula C60 este compusă numai din fragmente hexagonale de grafit, atunci raza sa ar trebui să fie egală cu 0,37 nm. De fapt, valoarea exactă a razei C60, stabilită prin analiza de difracție cu raze X, este de 0,357 nm. Această valoare diferă doar cu 2% de valoarea calculată. Diferența de raze se datorează faptului că atomii de carbon se află pe o suprafață sferică la vârfurile a 20 de hexagoane regulate moștenite din grafit și a 12 pentagoane regulate care au apărut în timpul formării lui C60. Se poate arăta că o suprafață plană este ușor așezată din hexagoane obișnuite, dar o suprafață închisă nu poate fi așezată cu ele: o parte din inelele hexagonale trebuie tăiată astfel încât pentagoane să se formeze din părțile tăiate. O minge de fotbal este cusută exact în același mod. Anvelopa sa este, de asemenea, formată (și acest lucru este ușor de verificat) din cinci pete de piele și hexagonale, formând o suprafață sferică.

Astfel, elementele structurale ale fulerenelor sunt similare elemente structurale grafit. O grilă plată de hexagoane (în cazul grafitului) este pliată și cusată într-o sferă închisă sau sferoid. În acest caz, unele dintre hexagoane sunt transformate în pentagoane.

OBŢINERE FULLERENES ŞI FULLERITE

Instalatie pentru obtinerea fulerenelor prin evaporarea termica a grafitului. Această metodă a fost dezvoltată în 1990. Ca materii prime se folosesc tije cilindrice din grafit spectral pur cu un diametru de 1 până la 6 mm. Capetele ascuțite ale tijelor sunt conectate, iar prin ele trece un curent de 150 - 200 A. Se poate folosi atât curent continuu, cât și curent alternativ. Când trece un curent în punctul de contact, are loc un arc electric și începe evaporarea grafitului. Încălzirea trebuie să fie moderată, astfel încât nu atomii de carbon individuali să fie separați de tije, ci fragmente întregi de straturi de grafit, constând din hexagoane de carbon. Grafitul evaporat se depune pe pereții camerei sub formă de funingine.

Procesul descris este efectuat într-o cameră în care este creat preliminar un vid de ordinul a 10-6 Torr. Camera este apoi umplută cu heliu gazos. Se crede că atomii de heliu sunt capabili să elimine în mod eficient excesul de energie din fragmentele de grafit care au părăsit zona arcului electric. În plus, heliul transportă energia eliberată în timpul combinării fragmentelor în molecule de fullerenă. Presiunea optimă a heliului în cameră în timpul evaporării grafitului este în intervalul 50 - 100 Torr. Fragmentele hexagonale de grafit răcite în heliu gazos servesc drept „blocuri de construcție” pentru construirea moleculelor C60 și C70.

Pentru a izola fulerenele pure, funinginea depusă pe pereții camerei de evaporare se dizolvă în metilbenzen (toluen). În acest caz, fulerenele intră în soluție, iar fragmentele de grafit nereacționate precipită. Separarea precipitatului se poate face în una din trei moduri: filtrare, rotirea soluției în centrifugă, extracție cu un aparat Soxhlet. Rezultă un lichid de culoarea vinului roșu, care este apoi pus într-un evaporator. Toluenul se evaporă, iar fulerenele precipită pe fundul și pereții vasului sub formă de pulbere neagră, a cărei masă este de aproximativ 10% din masa funinginei inițiale de grafit. Compoziția pulberii include molecule C60 și C70 într-un raport de 85: 15. Pentru a separa aceste fulerene, se utilizează cromatografia pe coloană lichidă, care necesită un numar mare solvenți. Culoarea C60 pură în soluție este roșu anilină, în timp ce culoarea soluției C70 este portocalie.

Când o soluție de C60 pur este evaporată, se formează o nouă substanță cristalină, care se numește „fulerită”. Pentru prima dată, fullerita solidă a fost observată de Kretschmer și Huffman în mai 1990 într-unul dintre laboratoarele Institutului. fizica nuclearaîn Heidelberg (Germania). Fullerita este a treia formă de carbon pur, fundamental diferită atât de diamant, cât și de grafit.

CRISTALE DE FULLERIT

S-a stabilit că fullerita are un grad ridicat de ordine cristalină. Moleculele C60 la temperatura camerei se condensează într-o structură compactă, în care fiecare moleculă are 12 vecini cei mai apropiați. Se poate dovedi că există două structuri apropiate. În cristalografie (știința structurii cristalelor), ele sunt numite rețele cubice centrate pe față (fcc) și hexagonale. În fullerita cristalină, moleculele de fullerenă formează o rețea fcc. Deoarece o moleculă de 60 de atomi are un diametru de 0,71 nm, dimensiunea celulei unitare a rețelei fcc este destul de impresionantă: fiecare parte a cubului este de 1,42 nm, iar distanța dintre cei mai apropiați vecini este de aproximativ 1 nm. În cristalele formate din atomi și având o rețea fcc, latura cubului nu depășește de obicei 0,4 nm, iar distanța dintre cei mai apropiați vecini este de 0,3 nm.

S-a dovedit prin metoda rezonanței magnetice nucleare că moleculele C60, ocupând anumite locuri într-o rețea centrată pe fețe, la temperatura camerei se rotesc constant în jurul poziției de echilibru cu o frecvență de 1012 s. Din fericire, pe măsură ce temperatura scade, rotația moleculelor încetinește și se oprește complet la temperaturi foarte scăzute.

Este interesant de observat că, pe măsură ce temperatura scade la 249 K, fullerita suferă o transformare de fază de ordinul întâi, în care rețeaua fcc este rearanjată într-una simplă cubică. În acest caz, volumul de fullerită crește cu 1%.

PROPRIETĂȚI ALE FULLERENELOR ȘI FULLERITELOR

Este logic să presupunem că o substanță constând din astfel de molecule uimitoare va avea proprietăți neobișnuite. Un cristal de fullerită are o densitate de 1,7 g/cm3, care este mult mai mică decât densitatea grafitului (2,3 g/cm3) și chiar mai mică decât cea a diamantului (3,5 g/cm3). Da, acest lucru este de înțeles - la urma urmei, moleculele de fullerenă sunt goale.

Fullerita nu se distinge prin activitate chimică ridicată. Molecula C60 rămâne stabilă într-o atmosferă inertă de argon până la temperaturi de ordinul a 1200 K. Cu toate acestea, în prezența oxigenului, se observă deja oxidare semnificativă cu formarea de CO și CO2 la 500 K. Procesul, care durează câteva ore, duce la distrugerea rețelei fcc de fullerită și la formarea unei structuri dezordonate în care există 12 atomi de oxigen pe moleculă inițială C60. În acest caz, fulerenele își pierd complet forma. La temperatura camerei, oxidarea are loc numai atunci când este iradiată cu fotoni cu o energie de 0,5 - 5 eV. Amintindu-ne că energia fotonilor lumina vizibila este în intervalul 1,5 - 4 eV, ajungem la concluzia: fullerita pură trebuie păstrată la întuneric.

Fulleritele se dizolvă destul de ușor în solvenți nepolari. Cei mai cunoscuți solvenți formează următoarea serie în ordinea descrescătoare a solubilității fulleritei: disulfură de carbon (CS2), toluen (C7H8), benzen (C6H6), tetraclorură de carbon (CCl4), decan (C10H22), hexan (C6H14), pentan. (C5H12).

Conductibilitatea și supraconductibilitatea fulerenelor

Fullerita solidă este un semiconductor cu o bandă interzisă de 1,5 eV. Aceasta înseamnă că atunci când este iradiat cu lumină vizibilă obișnuită, rezistența electrică a unui cristal de fullerită scade. Se pare că nu numai fullerita pură are fotoconductivitate, ci și diferitele sale amestecuri cu alte substanțe. Una dintre primele încercări de succes în această direcție este următoarea: polimerul polivinilcarbazol în cantitate de 1,5 și 0,04 g de fullerit a fost dizolvat în 12 ml de toluen. O placă de aluminiu a fost acoperită cu soluția preparată. Grosimea stratului a variat de la 1 la 30 µm. După cum sa dovedit, spectrul de fotoabsorbție al amestecului rezultat acoperă complet domeniul vizibil (lungimi de undă de la 280 la 680 nm). În acest caz, randamentul cuantic în ceea ce privește formarea perechilor electron-gaură este de 0,9. Cu alte cuvinte, fiecare foton incident (cuantum de lumină) produce o medie de 0,9 electroni în materialul rezultat. Din acest punct de vedere, materialul considerat este cel mai bun dintre materialele fotoconductoare organice.

Rezultate foarte interesante au fost obținute prin adăugarea de potasiu sau sodiu la filmele cristaline C60. S-a dovedit că adăugarea unui metal alcalin duce la o creștere a conductibilității electrice a unor astfel de filme cu mai multe ordine de mărime. În acest caz, starea cu conductivitate metalică corespunde structurii M3C60, unde M este un atom de metal alcalin.

La începutul anului 1991, s-a constatat că adăugarea de atomi de potasiu la filmele C60 le face să devină supraconductoare la 19 K, adică. rezistența electrică a unor astfel de filme devine zero. Structura RbCs2C60 devine supraconductoare deja la 33 K, iar aliajul RbTlC60 la 42,5 K. Probabil, temperaturi de ordinul a 100 K pot fi atinse în viitorul apropiat.

Compuși ai fulerenelor cu alte elemente

S-a stabilit acum că fulerenele pot fi baza pentru crearea multor compuși cu alte elemente. Una dintre cele mai interesante și mai tentante probleme în această direcție este introducerea atomilor diferitelor elemente în molecula C60. Acum se știe că mai mult de o treime din elementele tabelului periodic pot fi plasate în interiorul moleculei C60. Există deja rapoarte despre introducerea de atomi de lantan, nichel, sodiu, potasiu, rubidiu, cesiu. Din acest punct de vedere, atomii elementelor pământurilor rare precum terbiul, gadoliniul și disproziul, care au proprietăți magnetice pronunțate, sunt foarte atractivi. O fulerenă care conține un astfel de atom trebuie să aibă proprietățile unui dipol magnetic a cărui orientare poate fi controlată de un câmp magnetic extern.

Există perspectiva utilizării fulerenelor ca bază pentru crearea unui mediu de memorie cu o densitate de informație ultraînaltă. După cum știți, în prezent, discurile magnetice sunt utilizate pe scară largă ca dispozitive de stocare a informațiilor. în care mediul informațional este o peliculă subțire de metal feromagnetic, care face posibilă obținerea unei densități de înregistrare a suprafeței de ordinul a 107 biți/cm2. Discurile optice bazate pe tehnologia laser pot atinge o densitate de informații ceva mai mare, de ordinul a 108 biți/cm2. Dacă totuși, ca purtători de informații sunt folosiți ca purtători de informații dipolii magnetici fullerenici situati pe suprafața unui hard disk la o distanță de 5 nm unul de celălalt, atunci densitatea de înregistrare va atinge o valoare fantastică de 4 "1012 biți / cm2. Implementarea astfel de dispozitive vor oferi omenirii o putere informațională fără precedent.De exemplu, va deveni posibilă înregistrarea conținutului tuturor cărților publicate în lume de la apariția tipăririi, pe o singură dischetă într-un format modern.

S-au obţinut rezultate foarte interesante în direcţia sintezei polimerilor pe bază de fulerene. În acest caz, fulerenul C60 a servit ca bază a lanțului polimeric, iar legătura dintre molecule a fost realizată folosind inele benzenice. Această structură a primit denumirea figurativă de „șir de perle”. Astfel au fost sintetizați polimerii organometalici de tipul (C60Pd)n și (C60Pd2)n.

Fullerita ca materie primă pentru obținerea diamantului

Destul de recent, s-a demonstrat că fullerita policristalină poate fi transformată în diamant la o presiune de numai 2 - 105 atm și la temperatura camerei.Între timp, după cum se știe, transformarea grafitului policristalin în diamant necesită o presiune de (3). - 5) " 106 atm și o temperatură de 1200 ╟S. Astfel, fulleritele sunt cea mai promițătoare materie primă pentru sinteza celui mai dur și mai scump material - diamantul.

UTILIZAREA FULLERENELOR

În mai 1994, la Conferința Mondială de la San Francisco, au fost discutate pe larg chestiunile legate de utilizarea practică a fulerenelor în electronică. Mitsubishi, cea mai mare corporație industrială internațională, a decis să folosească fulerenele ca bază pentru producția de baterii reîncărcabile, al căror principiu se bazează pe reacția de adiție a hidrogenului, similar cu ceea ce se întâmplă în bateriile nichel-hidrură metalică utilizate pe scară largă. Diferența constă în faptul că bateriile pe bază de fullerene sunt capabile să stocheze de aproximativ cinci ori mai mult hidrogen și, prin urmare, capacitatea lor este de cinci ori mai mare. În plus, bateriile pe bază de fullerene se caracterizează printr-o greutate redusă, precum și o siguranță ridicată pentru mediu și sănătate. Este planificată utilizarea pe scară largă a acestor baterii pentru alimentarea computerelor personale și a aparatelor auditive.

Problemele utilizării fulerenelor pentru a crea fotodetectoare și dispozitive optoelectronice, diamante și filme asemănătoare diamantului, medicamente, materiale supraconductoare, precum și coloranți pentru copiatoare.

Se acordă multă atenție problemei utilizării fulerenelor în medicină și farmacologie. Una dintre dificultăți este crearea de compuși fullerenici netoxici solubili în apă care ar putea fi introduși în corpul uman și eliberați prin sânge în organul supus acțiunii terapeutice. S-au înregistrat deja progrese în rezolvarea acestei probleme. Unul dintre primii compuși de acest fel a fost sintetizat pe baza de difenetilaminosaccinit și este utilizat activ în experimentele biomedicale cu fulerene. Ideea creării de medicamente anticancer bazate pe compuși endoedrici solubili în apă ai fulerenelor cu izotopi radioactivi (compușii endoeddrici sunt molecule fullerenice care conțin unul sau mai mulți atomi ai unui element) este discutată pe larg.

Prețul de cost al fullerenei

CONCLUZIE

La începutul anului 1995, 1 gram de fullerită costa aproximativ 100 de dolari SUA. Un cost atât de mare se datorează faptului că metodele disponibile pentru obținerea și purificarea fulerenelor sunt foarte imperfecte și ineficiente (aproximativ 1 gram pe oră). Prin urmare, sarcina cea mai urgentă este de a dezvolta noi metode eficiente primindu-le. Cu toate acestea, este posibil ca cea mai ieftină modalitate de a obține fullerene în gata făcute din adâncurile pământului. Nu cu mult timp în urmă s-a știut că shungitul mineral natural, care conține carbon, ale cărui rezerve în Karelia se ridică la sute de milioane de tone, conține 0,1% fulerene. Astfel, din fiecare tonă de mineral se poate obține până la un kilogram de fullerită, deci următorul pas este dezvoltarea metoda industriala extragerea fulerenelor din shungit.

Este necesară dezvoltarea în continuare a lucrărilor legate de prepararea moleculelor C60 endoedrice. Ca urmare, se pot obține fullerite cu proprietăți fizico-chimice deosebite, practic valoroase. Prioritatea este studiul compușilor biologic activi ai fulerenelor. Una dintre cele mai importante sarcini este de a elucida modelele de acumulare a compușilor fullerene în organe și țesuturi. Rezolvarea acestei probleme poate duce la sinteza de noi medicamente extrem de eficiente.

Astfel, fulerenele, descoperite ca urmare a cercetărilor pur fizice, atrag în prezent atenția nu numai a fizicienilor, ci și a chimiștilor, inginerilor energetici, a oamenilor de știință a materialelor, a medicilor și a biologilor. Este posibil ca cercetările în acest domeniu să conducă la rezultate calitativ noi la scară globală, la fel cum era la începutul anilor cincizeci, când au început să fie utilizate pe scară largă semiconductori, care au devenit baza dezvoltării tehnologiei informației.

LITERATURĂ

1. Zharikov O.V. // Natură. 1992. ╧ 3. S. 68.

2. Smalley R.E. // Nav. Res. Rev. 1991. V. 43. P. 3.

3. Huffman D.R. // Fizica azi. 1991. Nr 11. P. 26.

* * *

Ivan Vasilievich Zolotukhin - doctor în științe tehnice, profesor la Universitatea Tehnică Voronezh. Domeniul de interese științifice - fizica materiei condensate dezordonate. Cercetarea principală este legată de soluționarea problemelor fizico-chimice ale creării de noi materiale metalice amorfe cu proprietăți fizice neobișnuite. I.V. Zolotukhin este autorul a două monografii și a peste 230 de articole. LA anul trecut eforturile științifice au ca scop dezvoltarea metodelor de obținere și studiere a proprietăților fizice ale aliajelor nanocristaline, structurilor fractale și fulerenelor.

DIAMANT - MODIFICARE CARBON

Diamant- un material absolut indispensabil in diverse domenii ale activitatii umane, de la bijuterii si productie pana la electronica si spatiala. Și toate acestea se datorează proprietăților sale unice: duritate și rezistență la uzură, conductivitate termică ridicată și transparență optică, indice de refracție ridicat și dispersie puternică, rezistență chimică și la radiații, precum și posibilitatea de dopare a acestuia cu impurități active electric și optic. Diamantele naturale mari și de înaltă puritate sunt foarte rare, așa că nu este surprinzător că încercările reușite de a le produce sunt de mare interes.

Prețul ridicat al acestor pietre se explică nu numai prin caracteristicile lor speciale, ci și prin nivelul de monopolizare în comerț: De Beers International Corporation, care controlează 70-80% din diamantele naturale furnizate pe piață, a păstrat prețurile cunoscute pentru ei de mai bine de un secol. Dezvoltare în a doua jumătate a secolului XX productie industriala analogii tehnici și de bijuterii, s-ar părea, ar fi trebuit să reducă costul celor mai dure și mai frumoase pietre de pe Pământ, dar acest lucru nu s-a întâmplat. Merită să clarificăm imediat că astăzi doar pietre mici cu un diametru de până la 0,6 mm sunt cultivate în tone, care sunt folosite ca materii prime pentru fabricarea uneltelor abrazive. Și prețurile lor au scăzut într-adevăr oarecum după dezvoltarea acestei tehnologii și sunt de aproximativ 10 cenți pe carat. Cu toate acestea, încă nu este prevăzută nicio scădere a prețurilor la diamantele prețioase, deoarece cultivarea lor este destul de costisitoare.

Cu toate acestea, diamantele naturale nu pot satisface pe deplin nevoile științei, tehnologiei și industriei. Să presupunem că industria de prelucrare a sculelor, a metalelor și a pietrei are nevoie de aproximativ 4 ori mai multe diamante decât sunt extrase din pământ. Și într-o serie de domenii de înaltă tehnologie - în fabricarea de ferestre optice, elemente de electronică pasivă și activă, senzori pentru radiații ultraviolete și ionizante, materii prime naturale nu pot fi folosite adesea.

În primul rând, acest lucru se datorează faptului că răspândirea proprietăților fizice ale cristalelor naturale de diamant este foarte largă - și acest lucru exclude în mare măsură posibilitatea utilizării lor în produse și dispozitive de serie care sunt sensibile la proprietățile materialului utilizat. O altă problemă este că marea majoritate a cristalelor naturale de diamant (aproximativ 98%) conțin azot ca impuritate (1 atom de azot la 1.000-100.000 de atomi de carbon), a cărui prezență afectează proprietățile diamantului. O altă nenorocire apare din imperfecțiunea structurii cristaline a cristalelor produse și din distribuția neuniformă a impurităților.
Doar carbon

Diamant și Alchimie

Multă vreme, diamantul a fost considerat o piatră miraculoasă și un talisman puternic. Se credea că persoana care îl poartă păstrează memoria și o dispoziție veselă, nu cunoaște bolile de stomac, otrava nu îl afectează, este curajos și credincios.
Este greu de imaginat că cel mai dur material natural cunoscut este unul dintre polimorfele (distinse prin aranjarea atomilor în rețeaua cristalină) ale carbonului, a cărui modificare este grafitul, o substanță moale folosită ca lubrifiant și mine de creion.

Într-un diamant cu o structură cubică, fiecare atom de carbon este înconjurat de patru dintre aceiași atomi, care formează o piramidă tetraedrică obișnuită. Grafitul, pe de altă parte, are o structură stratificată, în care legături puternice între atomii de carbon există doar în interiorul stratului, unde atomii formează o rețea hexagonală. Legătura dintre straturile individuale este foarte slabă, astfel încât acestea pot aluneca cu ușurință unul față de celălalt și rămân pe hârtie sub formă de microfulgi atunci când scriem cu un creion.
Fizica creșterii

Oamenii și-au dorit întotdeauna să facă un diamant mai accesibil: adică să nu-l extragă, ci să-l obțină într-un mod de laborator, și de preferință ieftin.

Experimente cu diamante

Primele experimente documentate pe diamante datează din 1694. Atunci, oamenii de știință florentini Averani și Targioni au demonstrat cu ajutorul unui pahar de foc că un diamant arde dacă este încălzit la o temperatură suficient de ridicată. În secolele următoare, au fost efectuate experimente continue pentru a studia cel mai durabil mineral din lume (I. Newton, A. Lavoisier, S. Tennant, H. Davy, M. Faraday, G. Rose), după care a devenit clar. că „cea mai mare comoară” chimic complet similară cu grafitul, cărbunele și funinginea. Experimentatorii, desigur, au încercat să obțină această „bijuterie” din aceste substanțe (V. Karazin, B. Hanney, K. Hrușciov, A. Moissan). Cu toate acestea, din cauza lipsei aproape complete de informații despre proprietățile fizico-chimice ale diamantului și grafitului și a imperfecțiunii tehnologiei din acea vreme, obiectivul nu a fost niciodată atins.

Abia în 1939, un tânăr angajat al Institutului de Fizică Chimică al Academiei de Științe a URSS, Ovsei Leipunsky, a calculat linia de echilibru grafit-diamant. Această lucrare a marcat prima moduri posibile producția industrială a pietrei. Leipunsky a calculat valorile estimate ale presiunii și temperaturii necesare transformării grafitului în diamant. Ulterior, calculele lui au fost oarecum rafinate și confirmate experimental.

Următorul pas pe calea soluționării problemei obținerii diamantului a fost dezvoltarea de echipamente care să asigure crearea și menținerea presiunilor și temperaturilor ridicate necesare pentru o perioadă lungă de timp. O mare contribuție la dezvoltarea tehnologiei de înaltă presiune a avut-o laureatul Nobel Percy Bridgman, care a dezvoltat principiile de funcționare a aparatelor de înaltă presiune.

Evaluarea calității diamantelor

Diamantele (diamantele tăiate) sunt evaluate în funcție de patru criterii principale CCCC (așa-numitul sistem 4 „C): culoare (culoare), calitate (claritate), tăietură și proporții (tăiere), greutate în carate (greutate în carate). valoroase sunt cele care au o așa-numită culoare „înaltă”, dar în realitate sunt incolore.
Prezența chiar și a unei nuanțe subtile și nesemnificative, în opinia unui nespecialist, de galben, maro sau verde (numită „culoare” de către bijutieri) poate reduce serios valoarea unei pietre. La diamantele incolore, tăietura rotundă este cea mai apreciată (diamantul în acest caz are 57 de fațete), ceea ce vă permite să scoateți la maximum strălucirea și jocul pietrei (așa-numitul „foc”). Cost maxim un diamant de 1 carat costă astăzi 18.000 USD.

Cel mai adesea, pietrele de aceeași greutate sunt de culoare și calitate mai scăzute, iar costul lor este de 5 000 de dolari – 8 000 de dolari. Campionii din lumea diamantelor ca valoare sunt pietrele de culoare roșie, albastră, roz, verde și portocalie. Prețul roz și albastru poate depăși costul celor incolore de greutate și calitate similare de 10 ori sau mai mult, iar cel mai scump diamant (pe carat) din istorie este o piatră roșie cu o greutate de 0,95 carate, vândută în 1987 la licitația Christie's pentru 880.000 USD Nu există o listă unică de prețuri pentru pietrele colorate și de obicei sunt stabilite la licitație.

Eforturile pe termen lung ale oamenilor de știință și designerilor s-au încheiat în 1953-1954 cu experimente de succes în creșterea diamantelor. Grupurile de cercetare ale ASEA (Suedia) și General Electric (SUA) au obținut succes. Probele rezultate au fost foarte departe de a fi perfecte și au avut o dimensiune mai mică de 1 mm.

Suedezii și americanii au folosit tehnologii similare - grafitul amestecat cu un metal (solvent de carbon) a fost plasat într-un mediu solid compresibil. Presiunea necesară (70.000-80.000 atmosfere) a fost creată de echipamente hidraulice puternice. Încălzirea a fost efectuată la temperaturi de 1600-2500°C timp de două minute.

Cristalizarea diamantelor s-a produs datorită faptului că topirea metalului (fierului) la presiune și temperatură ridicată se dovedește a fi nesaturată cu carbon în raport cu grafitul și suprasaturată în raport cu diamantul. În astfel de condiții, formarea diamantului și dizolvarea grafitului sunt mai favorabile termodinamic. Materiile prime obținute în prezent prin această tehnologie sunt în principal pulberi de diamant cu granulație de 0,001-0,6 mm (maximum 2 mm) și o concentrație de azot de peste 1019 atomi/cm3.

Modalități de a obține diamante

La începutul anilor 1960, oamenii de știință sovietici B. Deryagin și B. Spitsyn și, independent de ei, americanul V. Eversol au propus o metodă CVD fundamental diferită pentru obținerea diamantului, care nu necesită utilizarea unor presiuni mari. Esența sa este că un gaz care conține carbon (de exemplu, metan) într-un amestec cu hidrogen și oxigen se descompune la presiune atmosferică sau redusă, iar atomii de carbon sunt depuși pe suprafața cristalelor de semințe de diamant, ceea ce duce la creșterea lor. Cu toate acestea, cristalele rezultate au avut limitări de calitate.

În ciuda anumitor succese în creșterea diamantelor, a rămas o problemă nerezolvată - obținerea de cristale mari de calitate bijuterie. Abia în 1967 Robert Wentorff a brevetat o metodă („metoda gradientului de temperatură”) care a rezolvat această problemă.

Forța motrice a cristalizării diamantului în această metodă este diferența de concentrație de carbon dizolvat în metal, datorită diferenței de temperatură în volumul de reacție. Sursa de carbon este situată în zona cea mai fierbinte, iar sămânța de diamant (cristal de diamant de aproximativ 0,5 mm în dimensiune) în regiunea cu o temperatură mai scăzută. Solventul metalic se topește și devine saturat cu carbon. Cu toate acestea, gradul de saturație va fi neuniform din cauza diferenței de temperatură. Concentrația de echilibru a carbonului în topitură la interfața dintre topitură și sursa de carbon va fi mai mare decât la interfața dintre topitură și sămânța de diamant.

Gradientul de concentrație rezultat duce la difuzia carbonului de la sursă la cristalele de sămânță, în care topitura este suprasaturată - carbonul este depus din acesta, determinând creșterea unui cristal de sămânță de diamant. Aceasta este o metodă foarte ingenioasă bazată pe o bună înțelegere a multitudinii de procese care au loc în medii neechilibrate termodinamic - în acest caz, diferența de temperatură asigură simultan livrarea carbonului necesar creșterii diamantului și garantează depunerea acestuia pe sămânță.
Acele-piramide din diamant semiconductor valorează mai mult decât diamantele de aceeași dimensiune (0,01 carate)

Prelucrarea diamantelor

La tăierea și lustruirea diamantelor se folosesc pulberi abrazive din același diamant. Aceeași duritate a abrazivului și a materialului prelucrat creează anumite probleme în astfel de lucrări. Într-un diamant, ca majoritatea cristalelor, fețele diferite au duritate diferită. Cel mai greu de zgâriat este așa-numita față (111), pe care atomii de carbon sunt localizați cel mai dens.
Tocmai atunci când prelucrează suprafețe paralele cu o anumită fațetă cristalografică, bijutierii și tehnologii se confruntă cu dificultăți deosebite. Tehnologii caută modalități de a crește duritatea diamantelor cultivate, dopându-le intenționat cu diverse impurități și, de asemenea, încercând să sintetizeze substanțe mai puternice decât mineralul în sine. De mai bine de 10 ani, materialele de carbon obținute la presiuni și temperaturi ridicate din molecule de fullerenă C60 au fost discutate în cercurile științifice.
Plăci plan-paralele de diamant extrem de pur și dopat cu bor (2,5x2,5x0,5 mm) Dintre structurile cristaline și amorfe sintetizate, modificarea fulleritei cu o proporție mare de legături interatomice „asemănătoare diamantului” - până la 80% prezintă un interes deosebit. Restul legăturilor chimice din această substanță sunt mai puternice decât cele de diamant și sunt similare cu cele care leagă atomii din planurile grafitului, din molecula C60 și pereții nanotuburilor de carbon. Structura aranjamentului atomilor de carbon în această stare asigură izotropia proprietăților sale mecanice și absența așa-numitelor planuri de forfecare „ușoare”, care sunt prezente în cristalele de diamant. Se crede că tocmai această structură cristalină „sfâșiată” și foarte solicitată oferă acestui material o duritate mai mare decât cea a faimoasei (111) fațete a diamantului.
Acest material, numit „tisnumite”, și-a găsit deja aplicație în vârfurile ultra-puternice ale microscoapelor de scanare cu sondă NanoSkan („Vokrug sveta” Nr. 6, 2005). Recent, oamenii de știință din Germania au descoperit o nouă versiune a structurii asemănătoare diamantului: nanorodurile de diamant agregate (Aggregated Carbon NanoRods), cu o densitate și duritate cu câteva procente mai mari decât cea a diamantului cristalin obișnuit. Un astfel de material ACNR este de așteptat să găsească aplicații în diferite nanotehnologii.

Diamant cu sclipici

Inițial, oamenii au fost atrași de diamant doar de duritatea sa extraordinară și a fost apreciat sub unele alte minerale. Abia la mijlocul secolului al XV-lea, celebrul Louis van Berkem, bijutierul de curte al ducelui de Burgundia, Carol Îndrăznețul, a venit cu prima versiune a așa-numitei tăieturi strălucitoare, care a făcut posibilă dezvăluirea completă a strălucirea și jocul culorilor diamantului. Strălucirea strălucitoare a unui diamant tăiat se datorează indicelui său ridicat de refracție (2,42), iar jocul multicolor se datorează dispersiei sale puternice (cu