Modèle de fullerite à l'intérieur du diamant. Crédit :A. Kvashnin
Des physiciens ont simulé la structure d'un nouveau matériau à base de fullerite et de diamant monocristallin pour montrer comment ce matériau peut obtenir une dureté ultra-élevée. Cette découverte offre des conditions potentielles pour l'obtention de matériaux ultradurs. Les résultats ont été publiés dans Carbone .
La fullerite est un cristal moléculaire avec des molécules de fullerène à ses nœuds de réseau. Le fullerène est une molécule sphérique d'atomes de carbone. Il a été synthétisé pour la première fois il y a plus de 30 ans, et sa découverte a été récompensée par le prix Nobel. Les sphères de carbone en fullerite peuvent être emballées de différentes manières, et la dureté du matériau dépend fortement de la façon dont les fullerènes sont connectés les uns aux autres. Une équipe de scientifiques russes a maintenant expliqué pourquoi la fullérite devient un matériau ultra-dur.
Alexandre Kvashnine, Candidat de Physique et Mathématiques, l'auteur principal, mentionné, « Quand nous avons commencé à discuter de cette idée, Je travaillais à TISNCM. Là, en 1998, un groupe de scientifiques dirigé par Vladimir D. Blank a obtenu un nouveau matériau à base de fullerènes - fullerite ultradur, ou « tisnumit ». D'après les mesures, ce nouveau matériau pouvait rayer le diamant - c'était, En réalité, plus dur que le diamant."
La substance n'était pas un matériau monocristallin; il contenait du carbone amorphe et des molécules polymérisées en 3-D de C60. Toujours, sa structure cristalline n'est pas encore complètement comprise. La molécule de fullerène a une excellente rigidité mécanique. À la fois, le cristal de fullerite est un matériau mou dans des conditions normales, mais devient plus dur que le diamant sous pression (en raison de la polymérisation 3-D). Bien que ce matériau soit synthétisé et étudié depuis plus de 20 ans maintenant, la raison pour laquelle il devient ultradur est encore inconnue. Il existe un certain nombre de modèles qui ont été développés pour expliquer comment les fullerènes peuvent être polymérisés en fullerite.
(À gauche) Molécule de fullerène, (milieu) fullerite, (à droite) fullerite polymérisée (phase SH). Crédit :MIPT
L'un des modèles a été proposé par le professeur Leonid A. Chernozatonskii. Le diagramme de diffraction des rayons X du modèle concorde parfaitement avec les données expérimentales, et doit avoir un module de compression volumétrique élevé, plusieurs fois supérieure à la valeur du diamant. Mais la structure détendue du modèle ne présente pas des propriétés aussi fascinantes.
Alexandre Kvashnine a dit, "Nous avons basé notre analyse sur ce modèle et le fait connu expérimentalement que si vous appliquez plus de 10 GPa de pression à la poudre de fullerène et la chauffez au-dessus de 1800 K, vous obtenez un diamant polycristallin. L'idée était de combiner ces deux faits. D'un côté, un matériau fullerite super dur, et d'autre part, sous pression, les fullerènes se transforment en un diamant polycristallin."
Les scientifiques ont suggéré que sous la pression, une partie de la fullerite s'est transformée en diamant, tandis que l'autre partie est restée sous forme de fullerite à l'état comprimé à l'intérieur du diamant. Pour simplifier le modèle, la structure cristalline de fullerite proposée par le professeur Chernozatonskii a été placée à l'intérieur d'un diamant monocristallin. Les chercheurs ont ensuite étudié ce matériau composite. L'idée était que la fullerite à l'intérieur du diamant devrait être comprimée. On sait qu'à l'état comprimé, les propriétés élastiques et mécaniques du matériau augmentent. Et le diamant agirait comme une coquille, garder le fullerite compressé à l'intérieur pour préserver toutes ces propriétés. Dans l'étude, ils ont d'abord analysé de petits modèles contenant des grains de fullerite de 2,5 nm à l'intérieur de la coquille de diamant de 1 nm d'épaisseur. Cependant, un modèle aussi petit n'était pas conforme aux données expérimentales. Ensuite, les chercheurs ont commencé à modéliser les composites, où la taille de la fullerite a été augmentée jusqu'à 15,8 nm, et l'épaisseur de la coquille de diamant est restée la même. Les changements dans le spectre de diffraction des rayons X ont montré que l'augmentation de la taille des fullerites rapprochait le spectre des données expérimentales. Après avoir comparé les spectres, il a été supposé que très probablement dans l'expérience, ils avaient obtenu un milieu carboné amorphe avec une fullerite comprimée hydrostatiquement à l'intérieur, tandis que le modèle traitait d'un diamant avec de la fullerite à l'intérieur. D'après le spectre calculé, le nouveau modèle était très bien corrélé avec les données expérimentales.
« Le modèle développé nous aidera à comprendre la nature de ses propriétés uniques et à synthétiser systématiquement les nouveaux matériaux carbonés ultra-durs, ainsi que de contribuer au développement ultérieur de ce domaine scientifique prometteur, " dit Pavel Sorokin, chef de projet (TISNCM, MISIS, MIPT).
La fullerite elle-même n'est pas très dure; son module de compression est 1,5 fois inférieur à celui du diamant. Mais quand il est compressé, son module de masse augmente considérablement. Pour préserver ce module de vrac amélioré, le fullerite doit toujours rester dans un tel état comprimé. En utilisant les résultats des simulations, les scientifiques peuvent mener des expériences ciblées pour obtenir un matériau ultra-dur.
