Физики из МФТИ выяснили, в чем причина феноменально высокой упругости поликристаллических алмазов с размером зерна порядка 10 нанометров, которые оказались жестче алмазных монокристаллов. Оказалось, что «зерна» в поликристалле способны «активно» противодействовать внешнему давлению.
Работа выполнена сотрудниками факультета молекулярной и химической физики МФТИ и Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов в Троицке (ТИСНУМ). Результаты исследования опубликованы в статье в журнале Applied Physics Letters, а коротко о них сообщает пресс-служба института.
Поликристаллические алмазы — это композитные материалы, состоящие из частиц алмаза, объединенных металлической связкой. Поликристаллический алмаз с кристаллитами нанометрового размера демонстрирует большую упругость, чем монокристаллический алмаз, который считается самым жестким кристаллом из существующих. Чтобы объяснить этот эффект, ученые провели компьютерное моделирование поведения нанополикристаллов под давлением. Выяснилось, что характер реакции поликристаллических алмазов на механическое напряжение зависит от того, какой формой обладают его зерна. При этом оказалось, что отдельные кристаллиты реагируют на равномерную нагрузку со всех сторон анизотропно, то есть они неравномерно деформируются в разных направлениях.
«Поликристаллические алмазы могут превосходить монокристалл в жесткости, и связано это исключительно с наноразмерным эффектом: кристаллиты в этом поликристалле могут иметь такую форму, что при механической деформации этого поликристалла его механический отклик будет иметь большую величину», — говорит один из авторов исследования Павел Сорокин.
Часть изученных моделей нанополикристаллов обладает более высоким объемным модулем упругости, чем алмаз. Причиной этого является то, что зерна обладают специфической формой и по-разному контактируют друг с другом. К примеру, ученые выяснили, что самые «удачные» поликристаллы получаются в тех случаях, когда они состоят из нанокристаллов размером в 10 нанометров.
Результаты этих расчетов и физическое объяснение рекордной упругости нанополикристаллических алмазов помогут создать новые сверхтвердые материалы. Подобные материалы могут использоваться в качестве износостойких покрытий, абразивных материалов, а также в качестве инструментов для огранки и полировки. Поиск и синтез материалов с твердостью, сравнимой с твердостью алмаза, представляет особую важность как для фундаментальной науки, так и прикладных применений, считают авторы работы.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение