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 durabile materiale, omul a făcut multe descoperiri interesante și iată 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 care evaluează reacția unui mineral la zgâriere), un diamant este listat la rândul 10. Pe scară sunt în total 10 poziții, iar al 10-lea este ultimul și cel mai greu grad. Diamantele sunt atât de dure încât pot fi zgâriate doar de alte diamante.

24. Prinderea pânzelor din specia de păianjen Caerostris darwini


Fotografie: pixabay

Este greu de crezut, dar pânza 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 deja 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 și compresie în timpul deformării elastice), iar pentru toți acești indicatori pânza de păianjen s-a arătat în cel mai uimitor cale. În plus, plasa de prindere a păianjenului Darwin este incredibil de ușoară. De exemplu, dacă ne înfășuram planeta cu fibre de Caerostris 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 constă dintr-o rețea de tuburi de carbon de doar câțiva microni în diametru. Aerografitul este de 75 de ori mai ușor decât spuma, dar în același timp mult mai puternic și mai flexibil. Poate fi comprimat la 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 metal


Fotografie: pixabay

S-a dezvoltat o echipă de oameni de știință de la Institutul de Tehnologie din California (Berkeley Lab). noul fel sticlă metalică, combinând o combinație aproape ideală de rezistență și ductilitate. Motivul unicității noului material constă în faptul că structura sa chimică ascunde cu succes fragilitatea materialelor sticloase existente și, în același timp, menține un prag ridicat de rezistență, 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 care este foarte rezistent la uzură. ÎN anumite condiții Această conexiune este considerată foarte fragilă, dar sub sarcină mare prezintă proprietăți plastice unice, manifestate 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 utilizate pentru producerea 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 echipamente care trebuie să devieze gloanțe, să taie sau să șlefuiască alte materiale durabile. Carbura de siliciu face 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 atunci când este expus la temperaturi ridicate, în timp ce diamantul în aceleași condiții intră în reacții chimice destul de repede. Acest lucru este de fapt benefic pentru utilizarea sa în instrumentele industriale de șlefuit.

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


Foto: Justsail

Polietilena cu modul înalt are rezistență la uzură extrem de ridicată, coeficient de frecare scăzut 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 necesită 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 prezintă 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 producția de avioane, rachete, construcții navale, chimie, alimentare și inginerie de transport.

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 conotă ceva fragil și lichid, dar la temperatura camerei este de fapt extrem de dur, rezistent la uzură, rezistent la coroziune și se transformă atunci când este încălzit, ca materialele termoplastice. Principalele domenii de aplicare de până acum sunt în fabricarea de ceasuri, crose de golf și acoperiri pt telefoane mobile(Vertu, iPhone).

15. Nanoceluloza


Fotografie: pixabay

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

14. Dintii de melci de lapa


Fotografie: pixabay

Anterior, v-am povestit deja despre plasa de prindere a păianjenului Darwin, care a fost odată recunoscută drept cel mai puternic 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 Caerostris darwini. Și acest lucru nu este surprinzător, deoarece micile creaturi marine se hrănesc cu algele care cresc pe suprafața stâncilor dure și, pentru a separa hrana de stâncă, aceste animale trebuie să muncească din greu. Oamenii de știință sunt de părere că în viitor vom putea folosi exemplul structurii fibroase a dinților patelor de mare în industria ingineriei și vom începe să construim mașini, bărci și chiar aeronave putere crescută, inspirată de exemplul melcilor simpli.

13. Maraging oțel


Fotografie: pixabay

Oțelul Maraging este un aliaj de înaltă rezistență, aliat ridicat, 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, iar duritatea și punctul de topire ridicat îl fac 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 rezistență care poate fi găsită în anvelope auto, plăcuțe de frână, cabluri, produse protetice și ortopedice, armuri pentru corp, țesături de îmbrăcăminte de protecție, piese pentru construcții navale și drone 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 de înaltă densitate cu greutate moleculară ultra-înaltă, marca Spectra fibre


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

UHMWPE este în esență un plastic foarte durabil. Spectra, un brand UHMWPE, este, la rândul său, o fibră ușoară cu cea mai mare rezistență la uzură, de 10 ori superioară oțelului în acest indicator. Ca și Kevlar, Spectra este folosit la fabricarea de armuri și căști de protecție. Alături de UHMWPE, marca Dynimo Spectrum este populară în industria construcțiilor navale și a transporturilor.

9. Grafen


Fotografie: pixabay

Grafenul este un alotrop al 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 ruperea lui este o sarcină aproape imposibilă. Pentru a străpunge o foaie de grafen, va trebui să înfigeți un creion în ea, pe care va trebui să echilibrați o încărcătură care cântărește un întreg autobuz școlar. Noroc!

8. Hârtie cu nanotuburi de carbon


Fotografie: pixabay

Datorită nanotehnologiei, oamenii de știință au reușit să producă hârtie care este de 50 de mii de ori mai subțire decât un păr 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 decât oțelul! Plăcile de nanotuburi macroscopice sunt cele mai promițătoare pentru fabricarea electrozilor supercondensatori.

7. Microgrilă metalică


Fotografie: pixabay

Acesta este 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 microrețele sunt, de asemenea, incredibil de puternice, oferindu-le un potențial mare de utilizare în tot felul de domenii de inginerie. Ele pot fi folosite pentru a face amortizoare și izolatori termici excelente, iar capacitatea uimitoare a metalului de a se micșora și de a reveni la starea inițială îi permite să fie folosit pentru stocarea energiei. 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

Am vorbit deja mai sus despre plăcile macroscopice ultra-rezistente din nanotuburi de carbon. Dar ce fel de material este acesta? În esență, acestea sunt avioane de grafen rulate într-un tub (al 9-lea punct). Rezultatul este un material incredibil de ușor, rezistent și durabil, cu 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 înlocuiește complet faza lichidă cu o fază 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 restabilească forma inițială chiar și după o comprimare de 90% și poate absorbi o cantitate de ulei care este de 900 de ori greutatea aerografenului utilizat pentru absorbție. Poate că în viitor această clasă de materiale va ajuta la combaterea dezastrelor ecologice, cum ar fi scurgerile de petrol.

4. Material fără titlu, dezvoltat de Massachusetts Institute of Technology (MIT)


Fotografie: pixabay

În timp 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 sunt doar lanțuri liniare de atomi de carbon, carbina are o rezistență la tracțiune de 2 ori mai mare decât grafenul și este de 3 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, este superior diamantelor 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 superioară ca duritate diamantului. În plus, acest mineral uimitor este cu până la 58% mai dur decât diamantul! La fel ca nitrura de bor wurtzita, acest compus este extrem de rar. Uneori, lonsdaleitul se formează în timpul ciocnirii meteoriților care conțin grafit cu Pământul.

Numirea celei mai dure substanțe din lume nu este atât de simplă pe cât ar părea la început. Cert este că duritatea materialelor se poate modifica în funcție de unii factori externi. În special, acesta, destul de ciudat, se poate dovedi a fi 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 rămâne încă standardul. Orice lucru care este inferior diamantului ca duritate, dar se apropie de acesta în acest indicator, se numește superhard. Și substanțele care sunt mai dure decât diamantul poartă numele mândru de „ultra durabil”.

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 în natură decât un diamant și mulți oameni și-au amintit acest adevăr. Dar toate adevărurile sunt relative, după cum spun filozofii. Informațiile despre „cel mai dur diamant” au suferit și ele modificări în timpul nostru.

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 destul de 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 un diamant „obișnuit” constă dintr-un cristal, atunci un carbonado constă 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 comună este că carbonados au fost aduse pe planeta noastră de un asteroid rezultat în urma exploziei unei supernove.

Deci, carbonado este semnificativ mai dur 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 sa a necesitat presiuni monstruos de mari. Dar acum câțiva ani, fizicienii ruși, în colaborare cu cei francezi, au reușit să ocolească acest obstacol. Acum substanța poate fi creată deja în condiții relativ simple.

Această substanță se numește „diamant hexagonal” deoarece este alcătuită din grafit, doar alterat. 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-și obțină duritatea maximă, trebuie să fie 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 în litigiu. Cert este că, în starea sa normală, nitrura de bor, deși foarte dura, nu este încă o substanță ultra-puternică, ci o substanță super-dură.

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

Astfel, prin determinarea 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 diamantul este în prezent standardul de duritate, adică. Când se determină duritatea unui material, se ia ca bază indicele de duritate al unui diamant. 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 indicatorii săi 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, vă prezentăm cele mai dure zece materiale din lume.

10. Suboxid de bor

Suboxidul de bor este format din boabe în formă 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 o frecare de alunecare incredibil de scăzută. Această proprietate unică ar putea fi un adevărat avantaj în producerea diferitelor mecanisme, deoarece piesele din borură de magneziu-aluminiu pot funcționa fără lubrifiere. Din păcate, aliajul este incredibil de scump, ceea ce împiedică în prezent să fie utilizat pe scară largă. Duritatea borurii de magneziu aluminiu este de 51 GPa.

7. Bor-carbon-siliciu

Compusul bor-carbon-siliciu este incredibil de rezistent la temperaturi extreme și atacuri chimice. 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 utilizat la prelucrarea metalelor și aliajelor, la fabricarea articolelor din sticlă chimică, precum și în energie și electronică. 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, 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, borazon sau elbor. Materialul are valori de duritate apropiate de diamant și este utilizat cu succes în industrie la prelucrarea diferitelor metale și aliaje. Duritatea cubonitei nanostructurate este de 108 GPa.

3. Wurtzit nitrură de bor

Structura cristalină a 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 atomi 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 craterul 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 descoperit, lonsdaleitul nu a demonstrat niciun indicator special de duritate campion, dar s-a dovedit că dacă nu ar exista impurități în el, ar fi mai greu decât diamantul! Duritatea dovedită a lonsdaleitului este de până la 152 GPa

1. Fullerită

Este timpul să ne uităm la 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, poate zgâria cu ușurință diamantul, la fel ca oțelul zgârie plasticul! Duritatea fulleritei este de 310 GPa.

Fullerită

Am oferit o listă cu cele mai dure materiale din lume în acest moment. După cum vedem, printre ele există destule substanțe mai dure decât diamantul și, poate, ne așteaptă noi descoperiri care vor face posibilă obținerea de materiale cu niveluri de duritate și mai mari!

Definiția rezistenței înseamnă capacitatea materialelor de a nu ceda distrugerii ca urmare a influenței 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 sunt siguri că cel mai dur material din lume este diamantul, dar este acest lucru cu adevărat adevărat?

Informații generale:

    Data deschiderii: începutul anilor 60;

    Descoperitori - Sladkov, Kudryavtsev, Korshak, Kasatkin;

    Densitate – 1,9-2 g/cm3.

Recent, oamenii de știință din Austria au finalizat lucrările privind stabilirea producției durabile de carbine, care este o formă alotropă 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 publicate într-unul dintre numerele revistei științifice tipărite „Materiale naturale”.

După ce i-au studiat cu atenție proprietățile, oamenii de știință au explicat că puterea sa nu poate fi comparată cu niciun material descoperit și studiat anterior. Cu toate acestea, procesul de producție a întâmpinat dificultăți semnificative: structura carbinei este formată din atomi de carbon colectați în lanțuri lungi, în urma cărora începe să se descompună în timpul procesului de fabricație.

Pentru a elimina problema identificată, fizicienii de la universitatea publică din Viena au creat un strat protector special în care a fost sintetizat carbina. Straturi de grafen plasate unul peste altul și rulate într-un „termos” au fost folosite ca acoperire de protecție. În timp ce fizicienii au muncit din greu pentru a obține forme stabile, au descoperit că proprietățile electrice ale unui material sunt afectate de lungimea lanțului atomic.

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

Carbyne este o modificare alotropică puțin studiată, ai cărei descoperitori au fost chimiștii sovietici: A.M. Kudryavtsev, V.V. 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”. După 15 ani în american jurnal stiintific Science a publicat un articol care a pus la îndoială 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 descoperite în spațiul interstelar.

Informații generale:

    Descoperitori – 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.

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

Pe o foaie de grafen, a cărei suprafață este egală cu un metru pătrat și grosimea unui atom, pot fi ținute liber obiecte cu o greutate de până la patru kilograme. Pe lângă faptul că este un material foarte durabil, grafenul este și foarte flexibil. În viitor, dintr-un material cu astfel de caracteristici, va fi posibil să se țese fire și alte structuri de frânghie care nu sunt inferioare ca rezistență față de frânghia groasă de oțel. În anumite condiții, materialul descoperit de fizicienii ruși poate face față deteriorării structurii cristaline.

Informații generale:

    Anul deschiderii: 1967;

    Culoare – maro-galben;

    Densitatea măsurată – 3,2 g/cm3;

    Duritate – 7-8 unități pe scara Mohs.

Structura lonsdaleitei, descoperită într-un crater 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 niveluri ridicate de duritate, cu toate acestea, s-a dovedit că, dacă nu conține impurități, nu va fi în niciun caz inferior durității ridicate a diamantului.

Informații generale despre nitrura de bor:

    Densitate – 2,18 g/cm3;

    Punct de topire – 2973 grade Celsius;

    Structura cristalină – rețea hexagonală;

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

    Duritate – mai puțin de 10 unități pe scara Mohs.

Principalele diferențe dintre nitrura de bor wurtzită, care este un compus de bor și azot, sunt rezistența termică și chimică și rezistența la foc. Materialul poate avea diferite forme cristaline. De exemplu, grafitul este cel mai moale, dar în același timp stabil, este folosit în cosmetologie. Structura sfaleritei din rețeaua cristalină este similară cu diamantele, dar este inferioară din punct de vedere al moliciunei, 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.

Informații generale:

    Duritate – 1000 H/m2;

    Rezistenta – 4 Gn/m2;

    Anul descoperirii sticlei metalice a fost 1960.

Sticla metalica este un material cu o duritate mare si 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.

Informații generale:

    Limita elastica – 1500 MPa;

    KCU – 0,4-0,6 MJ/m2.

Informații generale:

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

    Limita elastica – 1500 MPa;

    KCU – 0,4-0,6 MJ/m2.

Oțelurile Maraging sunt aliaje de fier care au o rezistență ridicată la impact fără a-și pierde ductilitatea. În ciuda acestor caracteristici, materialul nu ține marginea de tăiere. Aliajele obținute prin tratament termic sunt substanțe cu conținut scăzut de carbon care își iau rezistența din compușii intermetalici. Aliajul conține nichel, cobalt și alte elemente care formează carburi. Acest tip de oțel de înaltă rezistență, înalt aliat, este ușor de prelucrat, datorită 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 carcasele rachetelor.

Osmiu

Informații generale:

    Anul deschiderii – 1803;

    Structura zăbrelei este hexagonală;

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

    Punct de topire - 3306 K.

Un metal strălucitor, alb-albăstrui, cu rezistență ridicată, aparține grupului de platină. 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, instrumentare, industria chimică, microscopie electronică, rachetă și echipamente electronice.

Informații 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.

Informații 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. Această specie de păianjen a fost descoperită oficial în 2010. Oamenii de știință au fost interesați în primul rând de pânzele țesute de artropode. Diametrul cercurilor de pe firul de susținere poate ajunge până la doi metri. Puterea rețelei lui Darwin o depășește pe cea a Kevlarului sintetic utilizat în industria aviației și auto.

Informații generale:

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

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

    Densitate – 3,47-3,55 g/cm3;

    Indicele de refracție – 2.417-2.419.

Diamant tradus din greaca veche înseamnă „indestructibil”, dar oamenii de știință au descoperit încă 9 elemente care îi sunt superioare în ceea ce privește puterea. În ciuda existenței nesfârșite a diamantului într-un mediu obișnuit, la temperaturi ridicate și un gaz inert se poate transforma în grafit. Diamantul este elementul standard (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 solide astăzi

Cel mai dur material existent astăzi este fullerita ultra-dură (de aproximativ 1,17-1,52 ori mai dur 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 reprezintă una dintre modificările alotropice ale carbonului. Structura rețelei sale cristaline seamănă cu cea a diamantului. Pentru aceasta, acest material a primit un al doilea nume - diamant hexagonal. Diferența este că celula unitară a lonsdaleitului conține patru atomi, în timp ce celula unitară a diamantului conține opt. Cu toate acestea, potrivit cercetătorilor, este puțin probabil ca noul material să găsească aplicație practică, așa că luând în considerare proprietățile sale teoretice în acest moment nu are sens.

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 FORMĂ DE CARBON

Material nou pentru cercetare

I. V. ZOLOTUKHIN, Universitatea Tehnică Voronezh

INTRODUCERE

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

Fullerita este o modificare alotropică a carbonului. Prin urmare, înainte de a trece la analiza structurii sale, 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 material minunat își găsește o largă aplicație într-o mare varietate de domenii ale activității umane - de la fabricarea creionului duce la unități de moderare a neutronilor în reactoarele nucleare.

Dispunerea atomilor de carbon în structura cristalină a grafitului este destul de neobișnuită. Atomii individuali se combină pentru a forma inele hexagonale care formează o rețea similară cu un fagure. Multe astfel de grile sunt situate una peste alta în straturi. Distanța dintre atomii aflați la vârfurile hexagoanelor regulate este de 0,142 nm. Atomii învecinați din interiorul fiecărui strat sunt legați prin legături covalente foarte puternice, astfel încât stratul de atomi care formează o rețea hexagonală este destul 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 rețea hexagonală. Distanța mare dintre straturi determină slăbiciunea forțelor care leagă straturile. Această structură - straturi puternice slab conectate între ele - 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 adiacenți sunt legați între ei 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. ÎN timp diferit Chimiști proeminenți și oameni de știință din materiale au descoperit alte forme de carbon, cum ar fi carbonul amorf, carbinul, 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 a aranja atomii de carbon în spațiu pentru a obține forma cristalină a carbonului. Această situație ar trebui considerată foarte surprinzătoare. De fapt, în prezent sunt cunoscuți peste un milion de compuși ai carbonului cu alte elemente. Studiul lor este subiectul unei ramuri uriașe a științei - Chimie organica. În același timp, cercetările în domeniul chimiei carbonului pur au început relativ recent. În ultimii 10 ani cercetare de baza au fost marcate de succese remarcabile în obținerea unei a treia forme fundamental noi de carbon pur, care va fi discutată mai jos.

FULLERENES - FORMA MOLECULARĂ A CARBONULUI

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 dovedește că moleculele de carbon pur sunt o suprafață închisă, în formă de sferă sau sferoid. Astfel de molecule au fost numite fulerene în onoarea inventatorului și arhitectului american Richard Buckminster Fuller, care a primit un brevet pentru constructia unei cladiri 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 odată cu descoperirea moleculei C60 cu 60 de atomi. În plus, au fost descoperite moleculele C70, C76, C84 etc. Toate au forma unei suprafețe închise pe care se află atomi de carbon.

Structura fulerenelor

Elementul principal al structurii fulerenelor este un hexagon, la vârfurile căruia se află atomii de carbon. După cum am văzut mai devreme, hexagoane similare sunt, de asemenea, caracteristice structurii grafitului. Pe baza acestui fapt, este logic să presupunem că grafitul ar trebui să fie utilizat ca materie primă pentru sinteza fulerenelor. Acesta este ceea ce se întâmplă de fapt. Acum este ferm stabilit că cel mai mult mod eficient Producerea fulerenelor 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 cea 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 demonstra că o suprafață plană poate fi așezată cu ușurință 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 constă, de asemenea (și acest lucru este ușor de văzut) din clapete pentagonale și hexagonale de piele care formează o suprafață sferică.

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

OBŢINERE FULLERENES ŞI FULLERITE

Instalatie pentru producerea 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 diametrul de la 1 la 6 mm. Capetele ascuțite ale tijelor sunt conectate și prin ele se trece un curent de 150 - 200 A atât curent continuu, cât și curent alternativ. Când trece curentul în punctul de contact, are loc un arc electric și grafitul începe să se evapore. Încălzirea ar trebui 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 anterior 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 atunci când fragmentele se combină 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 gaz heliu 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 sedimentelor se poate face într-unul din trei moduri: filtrare, rotație a soluției într-o centrifugă sau extracție folosind un aparat Soxhlet. Rezultă un lichid de culoarea vinului roșu, care este apoi pus într-un evaporator. Toluenul se evaporă, iar fulerenele cad pe fundul și pereții vasului sub formă de pulbere neagră, a cărei masă este de aproximativ 10% din masa funinginei de grafit originală. Pulberea conține molecule C60 și C70 într-un raport de 85: 15. Pentru a separa aceste fulerene, se utilizează cromatografia pe coloană lichidă, care necesită cantitate 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”. Fullerita solidă a fost observată pentru prima dată 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, dimensiunile celulei unitare a unei rețele fcc sunt destul de impresionante: 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 unui cub de obicei nu depășește 0,4 nm, iar distanța dintre cei mai apropiați vecini este de 0,3 nm.

Folosind metoda rezonanței magnetice nucleare, s-a dovedit că moleculele C60, ocupând anumite locuri într-o rețea centrată pe față, la temperatura camerei se rotesc constant în jurul poziției de echilibru cu o frecvență de 1012 s-1. O astfel de rotație este o interferență semnificativă este necesar să se determine poziția atomilor de carbon în molecula C60 însăși. Din fericire, pe măsură ce temperatura scade, rotația moleculelor încetinește și se oprește complet la temperaturi foarte scăzute.

Este interesant de observat că atunci când 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 semnificativ mai mică decât densitatea grafitului (2,3 g/cm3) și, cu atât mai mult, a diamantului (3,5 g/cm3). Da, acest lucru este de înțeles - la urma urmei, moleculele de fullerenă sunt goale.

Fullerita nu este foarte reactivă chimic. 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 oxidare semnificativă deja la 500 K cu formarea de CO și CO2. 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 de fotoni cu o energie de 0,5 - 5 eV. Amintindu-și acea energie fotonică 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 fulleritelor: 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, ci și diferitele sale amestecuri cu alte substanțe au fotoconductivitate. 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 straturilor 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 luat în considerare este cel mai bun dintre materialele fotoconductoare organice.

Rezultate foarte interesante au fost obținute prin adăugarea de potasiu sau sodiu la filmele cristaline de 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 descoperit 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. Este probabil ca temperaturi de ordinul a 100 K să poată 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 atomilor de lantan, nichel, sodiu, potasiu, rubidiu și cesiu. Din acest punct de vedere, atomii elementelor pământurilor rare precum terbiul, gadoliniul și disproziul, care au proprietăți magnetice pronunțate, sunt foarte atractivi. Fullerena în care se află un astfel de atom trebuie să aibă proprietățile unui dipol magnetic, a cărui orientare poate fi controlată de un câmp magnetic extern.

Apare perspectiva folosirii fulerenelor ca bază pentru crearea unui mediu de stocare cu o densitate de informații ultra-înalta. După cum se știe, discurile magnetice sunt în prezent 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, care se bazează pe tehnologia laser, permit atingerea unei densități de informații ceva mai mari, de ordinul a 108 biți/cm2. Dacă totuși, ca purtători de informații sunt folosiți dipoli magnetici fullerenici situati pe suprafața hard disk-ului 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 umanității 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 de format modern.

S-au obținut rezultate foarte interesante în sinteza 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 numele figurativ „șir de perle”. Așa au fost sintetizați polimerii organometalici de tip (C60Pd)n și (C60Pd2)n.

Fullerita ca materie primă pentru producția de diamante

Mai recent, s-a demonstrat că fullerita policristalină poate fi transformată în diamant la o presiune de numai 2 "105 atm și la temperatura camerei. Până acum, după cum se știe, pentru a transforma grafitul policristalin în diamant, o presiune de (3 - 5) „Este necesar 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, s-a discutat pe larg despre utilizarea în practică a fulerenelor în electronică. Cea mai mare corporație industrială internațională, Mitsubishi, a decis să folosească fulerenele ca bază pentru producția de baterii reîncărcabile, al căror principiu de funcționare se bazează pe reacția de adăugare a hidrogenului, similar cu ceea ce se întâmplă în bateriile cu hidrură metalică cu nichel răspândite. Diferența este că bateriile pe bază de fulerene sunt capabile să stocheze aproximativ de cinci ori mai mult hidrogen și, prin urmare, capacitatea lor este de cinci ori mai mare. În plus, bateriile fullerene se caracterizează prin greutate redusă, precum și 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 și, de asemenea, ca coloranți pentru mașini de copiat.

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 către 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 experimente medicale și biologice cu fulerene. Ideea creării de medicamente anti-cancer pe bază de compuși endoedrici solubili în apă ai fulerenelor cu izotopi radioactivi (compușii endoeddrici sunt molecule fullerenice cu unul sau mai mulți atomi ai oricărui element plasați în interiorul lor) este larg discutată.

Costul 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 existente de producere și purificare a fulerenelor sunt foarte imperfecte și cu productivitate scăzută (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 să fie în formă terminată din măruntaiele pământului. Nu cu mult timp în urmă s-a știut că mineralul natural care conține carbon shungit, 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 fullerit, așa că următorul pas este dezvoltarea unei metode industriale de extragere a fulerenelor din shungit.

Este necesară dezvoltarea în continuare a lucrărilor legate de producerea de molecule C60 endoedrice. Ca urmare, se pot obține fullerite cu proprietăți fizico-chimice deosebite, practic valoroase. Cercetarea compușilor fullerenici activi biologic este o prioritate. Una dintre cele mai importante sarcini este de a clarifica 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 ai 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 a început utilizarea pe scară largă a semiconductorilor, care au devenit baza dezvoltării tehnologiei informației.

LITERATURĂ

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

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

3. Huffman D.R. // Fizica azi. 1991. ╧ 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 rezolvarea 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. ÎN 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 de neînlocuit într-o varietate de domenii ale activității umane, de la bijuterii și industriile de fabricație până la electronice și spațiu. 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 extrem de pure sunt foarte rare, așa că nu este de mirare 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 menținut 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, utilizate ca materii prime pentru fabricarea uneltelor abrazive. Și prețurile pentru ele au scăzut oarecum după dezvoltarea acestei tehnologii și se ridică la aproximativ 10 cenți pe carat. Cu toate acestea, nu se așteaptă încă nici o prăbușire a prețurilor la diamantele de bijuterii, deoarece cultivarea lor este destul de costisitoare.

În același timp, diamantele naturale nu pot satisface pe deplin nevoile științei, tehnologiei și industriei. De exemplu, industriile de prelucrare a sculelor, a metalelor și a pietrei au nevoie de aproximativ 4 ori mai multe diamante decât sunt extrase din pământ. Și într-o serie de domenii de înaltă tehnologie - în fabricarea ferestrelor optice, a elementelor electronice pasive și active, a senzorilor de radiații ultraviolete și ionizante, materii prime naturale nu pot fi folosite adesea.

Acest lucru se datorează în primul rând faptului că gama de proprietăți fizice ale cristalelor de diamant naturale 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 de diamant naturale (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 problemă apare din cauza imperfecțiunii structurii cristaline a cristalelor extrase și a distribuției neuniforme a impurităților.
Doar carbon

Diamant și alchimie

Multă vreme, diamantele au fost considerate o piatră miraculoasă și un talisman puternic. Se credea că persoana care o poartă păstrează memoria și o dispoziție veselă, nu cunoaște bolile de stomac, nu este afectată de otravă și este curajoasă și credincioasă.
E greu de imaginat că cel mai greu cunoscut materiale naturale este una dintre modificările polimorfe (diferă prin aranjarea atomilor din rețeaua cristalină) ale carbonului, o altă modificare a cărei modificare este grafitul, o substanță moale folosită ca lubrifiant și mine de creion.

În diamant, care are 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 ele pot aluneca cu ușurință unul față de celălalt și rămân pe hârtie sub formă de microscări atunci când scriem cu creionul.
Fizica creșterii

Oamenii și-au dorit întotdeauna să facă diamantele mai accesibile: adică să nu le extragă în mine, ci să le obțină folosind o metodă de laborator, și de preferință ieftin.

Experimente pe diamante

Primele experimente documentate pe diamante datează din 1694. Atunci, oamenii de știință florentini Averani și Targioni au demonstrat, folosind un pahar care arde, că diamantul ar 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 bijuterie” Din punct de vedere chimic, este complet similar cu grafitul, cărbunele și funinginea. Experimentatorii, desigur, au încercat să obțină această „bijuterie” din aceste substanțe (V. Karazin, B. Hannay, K. Hrușciov, A. Moissan). Cu toate acestea, din cauza lipsei aproape complete de informații despre proprietățile fizice și chimice ale diamantului și grafitului și a imperfecțiunii tehnologiei la 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 Leypunsky, a calculat linia de echilibru grafit-diamant. Această lucrare a identificat mai întâi moduri posibile productie industriala piatră Leypunsky a calculat valorile estimate ale presiunii și temperaturii necesare pentru a transforma grafitul în diamant. Ulterior, calculele lui au fost oarecum rafinate și confirmate experimental.

Următorul pas către rezolvarea problemei producției de diamante a fost dezvoltarea de echipamente care să asigure crearea și menținerea presiunilor și temperaturilor ridicate necesare pe o perioadă lungă de timp. O contribuție majoră la dezvoltarea tehnologiei de înaltă presiune a fost adusă de 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. Cele mai valoroase sunt cele care au o așa-numită culoare „înaltă”, dar în realitate sunt incolore.
Prezența chiar și a unei nuanțe abia vizibile și nesemnificative, în ochii unui nespecialist, nuanță de galben, maro sau verde (numită „culoare” de către bijutieri) poate reduce serios valoarea unei pietre. Pentru diamantele incolore, cea mai apreciată este tăietura rotundă (diamantul are în acest caz 57 de fațete), care permite să se dezvăluie la maximum strălucirea și jocul pietrei (așa-numitul „foc”). Costul maxim Un diamant de 1 carat costă astăzi 18.000 USD.

Cel mai adesea, pietrele de aceeași greutate au o culoare și o calitate mai scăzută, iar costul lor este de 5.000-8.000 de dolari Campionii în valoare în lumea diamantelor sunt pietrele colorate în roșu, albastru, roz, verde și portocaliu. Prețul diamantelor roz și albastre poate depăși costul diamantelor 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 de dolari SUA Nu există o listă unică de prețuri pentru pietrele colorate și, de regulă, acestea sunt formate la licitație.

Mulți ani de eforturi ale oamenilor de știință și designerilor au culminat în 1953-1954 cu experimente de succes în creșterea diamantelor. Grupurile de cercetare de la 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 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 1.600-2.500°C timp de două minute.

Cristalizarea diamantului s-a produs datorită faptului că topitura metalului (fierul) 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 folosind această tehnologie sunt în principal pulberi de diamant cu o dimensiune a granulelor de 0,001-0,6 mm (maximum 2 mm) și o concentrație de azot de peste 1019 atomi/cm3.

Metode de obținere a diamantelor

La începutul anilor '60, oamenii de știință sovietici B. Deryagin și B. Spitsyn și, independent de ei, americanul V. Eversol au propus o metodă CVD fundamental diferită pentru producerea diamantelor, care nu necesita utilizarea unor presiuni mari. Esența sa este că un gaz care conține carbon (de exemplu, metan) amestecat 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 acestora. Cu toate acestea, cristalele rezultate au avut limitări de calitate.

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

Forța motrice pentru cristalizarea diamantului în această metodă este diferența de concentrație de carbon dizolvat în metal, cauzată de diferența de temperatură în volumul de reacție. Sursa de carbon este plasată 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 este saturat cu carbon. Cu toate acestea, gradul de saturație va fi neuniform din cauza diferențelor 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 difuzarea carbonului de la sursă la cristalele de sămânță, în care topitura se dovedește a fi suprasaturată - carbonul se depune din acesta, determinând creșterea cristalului de diamant semințe. Aceasta este o metodă foarte ingenioasă, bazată pe o bună înțelegere a numeroaselor procese care au loc în medii de neechilibru termodinamic - în acest caz, diferența de temperatură asigură simultan livrarea carbonului necesar creșterii diamantului și garantează depunerea acestuia pe sămânță.
Piramidele cu ace cu diamante semiconductoare costă 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 timpul unor astfel de lucrări. Diamantul, ca majoritatea cristalelor, are fețe diferite care au durități diferite. Partea cea mai greu de zgâriat este așa-numita față (111), unde atomii de carbon sunt cel mai dens împachetati.
Atunci când prelucrează suprafețe paralele cu o față cristalografică dată, bijutierii și tehnologii întâmpină dificultăți deosebite. Tehnologii caută modalități de a crește duritatea diamantelor cultivate, dopându-le intenționat cu diverse impurități și, de asemenea, încearcă să sintetizeze substanțe mai puternice decât mineralul în sine. De mai bine de 10 ani, materialele de carbon produse la presiuni și temperaturi ridicate din molecule de fuleren C60 au fost discutate în cercurile științifice.
Plăci plan-paralele din diamant deosebit de pur și dopat cu bor (2,5x2,5x0,5 mm) Dintre structurile cristaline și amorfe sintetizate, modificarea fulleritei cu o mare proporție de legături interatomice „asemănătoare cu diamant” este deosebit de interesantă - până la 80%. Restul legăturilor chimice din această substanță sunt mai puternice decât diamantul și sunt similare cu cele care leagă atomii din planurile grafitului, din molecula C60 și din pereții nanotuburilor de carbon. Structura aranjamentului atomilor de carbon în această stare asigură izotropia proprietăților sale mecanice și absența așa-numitelor planuri de clivaj „ușoare” găsite în cristalele de diamant. Se crede că tocmai această structură cristalină „zdrențuită” 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 („Around the World” Nr. 6, 2005). Recent, oamenii de știință din Germania au descoperit o nouă versiune a structurii asemănătoare diamantului: NanoRods de carbon agregat, cu o densitate și duritate cu câteva procente mai mari decât cele ale diamantului cristalin obișnuit. Un astfel de material ACNR este de așteptat să găsească aplicații în diferite nanotehnologii.

Strălucire de diamant

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