Ученые обнаружили материал тверже алмаза

(PhysOrg.com) — В настоящее время алмаз считается самым твердым из известных материалов в мире. Но, учитывая большие давления сжатия под инденторами, ученые подсчитали, что материал, называемый вюртцит-нитрид бора (w-BN), обладает большей прочностью на вдавливание, чем алмаз. Ученые также подсчитали, что другой материал, лонсдейлит (также называемый гексагональным алмазом, так как он сделан из углерода и похож на алмаз), даже прочнее w-BN и на 58 процентов прочнее алмаза, установив новый рекорд.

Этот анализ знаменует собой первый случай, когда материал превосходит по прочности алмаз при тех же условиях нагрузки, объясняют авторы исследования из Шанхайского университета Цзяо Тонг и Университета Невады в Лас-Вегасе. Исследование опубликовано в недавнем номере журнала Письма о физическом обзоре.

«Новый вывод из наших результатов заключается в том, что большие нормальные сжимающие давления под инденторами могут преобразовывать определенные материалы (такие как w-BN и лонсдейлит) в новые сверхтвердые структуры, которые тверже алмаза», — соавтор Чанфэн Чен из Университета Невады, Лас-Вегас. , сказал PhysOrg.com. «Это новый механизм, который можно использовать для разработки новых сверхтвердых материалов».

Присоединяйтесь к PhysOrg.com на Facebook
Ученые объясняют, что превосходная прочность w-BN и лонсдейлита обусловлена структурной реакцией материалов на сжатие. Нормальное сжимающее давление под инденторами заставляет материалы претерпевать структурно-фазовое превращение в более прочные структуры, сохраняя объем за счет переворачивания их атомных связей.Ученые объясняют, что w-BN и лонсдейлит имеют тонкие различия в расположении их связей по сравнению с алмазом, что отвечает за их уникальную структурную реакцию.

Статья в тему: Где смотреть по всей вселенной Канада

При больших давлениях сжатия w-BN увеличивает свою прочность на 78 процентов по сравнению с его прочностью до переворачивания связи. Ученые подсчитали, что w-BN достигает прочности на вдавливание 114 ГПа (миллиардов паскалей), что намного превышает 97 ГПа у алмаза при тех же условиях вдавливания. В случае с лонсдейлитом тот же механизм сжатия вызвал переворачивание связей, в результате чего прочность на вдавливание составила 152 ГПа, что на 58 % выше, чем у алмаза.

«Лонсдейлит даже прочнее, чем w-BN, потому что лонсдейлит состоит из атомов углерода, а w-BN состоит из атомов бора и азота», — объяснил Чен. «Связи углерод-углерод в лонсдейлите прочнее, чем связи бор-азот в w-BN. Вот почему алмаз (с кубической структурой) прочнее кубического нитрида бора (c-BN)».

До недавнего времени нормальные сжимающие давления под инденторами не включались в расчеты идеальной прочности кристаллов на сдвиг из первых принципов, но последние разработки позволили исследователям учесть их влияние, что привело к удивительным открытиям, подобным показанному здесь. Тем не менее, эксперименты с w-BN и лонсдейлитом будут сложными, поскольку оба материала трудно синтезировать в больших количествах. Однако в другом недавнем исследовании был использован многообещающий подход к производству нанокомпозитов w-BN и c-BN, который также может обеспечить способ синтеза нанокомпозитов, содержащих лонсдейлит и алмаз.

Кроме того, показывая лежащий в основе атомистический механизм, который может упрочнять некоторые материалы, эта работа может предложить новые подходы к разработке сверхтвердых материалов.Как объяснил Чен, сверхтвердые материалы, обладающие другими превосходными свойствами, весьма желательны для применения во многих областях науки и техники.

Статья в тему: Как глобальное потепление влияет на Казахстан

«Высокая твердость — это только одна важная характеристика сверхтвердых материалов», — сказал Чен. «Термическая стабильность является еще одним ключевым фактором, поскольку многие сверхтвердые материалы должны выдерживать экстремально высокие температуры в качестве инструментов для резки и сверления, а также в качестве покрытий, устойчивых к износу, усталости и коррозии, в самых разных областях, от микро- и наноэлектроники до космических технологий. Для всех сверхтвердых материалов на основе углерода, включая алмаз, их атомы углерода будут реагировать с атомами кислорода при высоких температурах (около 600°C) и станут нестабильными. Поэтому разработка новых, термически более стабильных сверхтвердых материалов имеет решающее значение для высокотемпературных применений. Кроме того, поскольку наиболее распространенные сверхтвердые материалы, такие как алмаз и кубический BN, являются полупроводниками, крайне желательно разработать сверхтвердые материалы, которые являются проводниками или сверхпроводниками. Кроме того, сверхтвердые магнитные материалы являются ключевыми компонентами различных записывающих устройств».

Дополнительная информация: Пан, Цзычэн; Сун, Хонг; Чжан, И; и Чен, Чанфэн. «Тверже алмаза: превосходная прочность на вдавливание вюрцита BN и лонсдейлита». Письма о физическом обзоре 102, 055503 (2009).

Цитата: Ученые обнаружили материал тверже алмаза (12 февраля 2009 г.), получено 25 ноября 2022 г. с https://phys.org/news/2009-02-scientists-material-harder-diamond.html.

Этот документ защищен авторским правом. За исключением любой честной сделки с целью частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

голоса

Рейтинг статьи