Твердость обычного и гексагонального алмаза больше не будет эталоном
Согласно новой теории, предложенной чешскими учеными, твердость кристалла объясняется силой молекулярных связей, направленных перпендикулярно, а не параллельно приложенному усилию. Такая модель открывает путь к созданию уникальных по своей твердости материалов.
С давних времен было известно, что алмаз – самый твердый материал. Твердость – это сопротивление постоянному изменению формы тела, происходящему, когда отдельные его атомы перемещаются на новые места. Твердость не является универсальным физическим свойством, а представляет собой некую комбинацию прочности, пластичности, молекулярной структуры, вязкости и т.п. Благодаря уникальным свойствам алмаза его зачастую используют в качестве образца для изменения твердости других материалов. К примеру, одним из методов оценки твердости является измерение площади отпечатка, оставляемого четырехгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность (метод Виккерса).
В течение длительного времени ученые пытались связать полученные на эксперименте значения твердости кристаллов с их атомарной структурой для того, чтобы найти способ производить все более и более твердые материалы. До сих пор «пальма первенства» по твердости принадлежала структурным модификациям углерода – алмазу и лонсдейлиту (гексагональному алмазу). Однако, не прекращались попытки найти «конкурентов» и среди других элементов. В частности, с 2005 года велась работа над диборидом осмия (OsB2), производство которого практически не требует затрат по сравнению с алмазом (для производства этого материала не требуется больших давлений и температур).
Диборид осмия - достаточно прочен, чтобы поцарапать алмаз, однако, множество вопросов вызывало одно уникальное свойство, до сих пор не имевшее объяснения: твердость этого материала по одним направлениям в 2 раза больше, чем по другим. Раньше все попытки объяснить это странное явление были безуспешны. Аналогичную загадку ставил перед учеными и другой похожий материал – диборид рения.
Метод решения этой проблемы предложил в августовском номере журнала Physical Review B чешский ученый Anton?n ?im?nek. В основе его теории лежит идея о том, что твердость материала зависит от силы молекулярных связей, направленных перпендикулярно направлению сжатия материала (а не параллельно, как предполагалось ранее). Исследователь разработал формулу для вычисления твердости, которая объединила в себе различные типы связей в кристалле; при этом первоначально все связи были включены в его расчеты с равным весом. Чтобы оценить влияние связей по каждому из направлений, ученый проводил эксперименты на отдельных листах графена (мономолекулярных слоях графита). Ключевым результатом его опытов было понимание того, что в твердость графена обеспечивается исключительно перпендикулярными к направлению воздействия химическими связями (параллельные связи в мономолекулярном слое просто отсутствуют). Обобщив полученный результат на случай нескольких молекулярных слоев, ученый вывел итоговую формулу, куда сила перпендикулярных связей была включена с большим весом.
Простая модель, предложенная ученым, не только позволила полностью объяснить удивительные свойства диборида осмия, но и обеспечит в будущем возможность легко находить другие столь же прочные материалы.
