Алмазы при уменьшении до наноразмеров показали новые свойства: физики
Благодаря своим механическим свойствам алмазы кажутся вечными, но уменьшение до наноразмеров делает их немного «мягче». Эксперимент с самыми маленькими из когда-либо изученных алмазов показал, насколько и, главное, почему снижается жесткость.
«Объемные алмазы широко известны своей экстремальной жесткостью и твердостью. Однако в нанометровом масштабе все может быть иначе», — говорит профессор Шань Чунсинь из Чжэнчжоуского университета.
Под его руководством проходили эксперименты по изучению свойств алмазов, уменьшенных до 4 нанометров в поперечнике, что в сотни раз меньше некоторых вирусов. Результаты исследования приведены в журнале Physical Review X.
Наноалмазы сжимали между алмазными наковальнями, соединенными с динамометрами, и под микроскопом изучали изменения, происходившие с кристаллами.
По словам Шаня, надежные измерения в наномасштабе затруднены: все измеряемые эффекты очень малы, плюс любое незначительное воздействие извне вносит шум в данные. Чтобы обойти эту проблему, опыты повторяли примерно с сотней разных алмазов, причем проводили их в высоком вакууме, чтобы устранить влияние атомов воздуха.
Выяснилось, что при уменьшении размера алмазов с 12 до 4 нанометров их жесткость падает примерно на 30%, то есть они становятся более упругими.
Причину этих изменений раскрыли посредством компьютерного моделирования, подставив в него результаты измерений. Из-за сверхмалых размеров отношение числа атомов на поверхности наноалмаза к числу атомов в ядре велико, однако химические связи между этими двумя областями ослаблены — это и делает его более упругим по сравнению с обычными крупными алмазами, объясняет Шань.
Эксперимент выявил неожиданные изменения свойств алмазов даже по сравнению с предыдущими исследованиями, заметил профессор Лу Ян из Городского университета Гонконга, одним из первых показавший, что алмазы в наномасштабе могут быть менее твердыми и хрупкими. Новая работа «сдвинула планку» сразу в десять раз — в сторону еще меньших размеров.
По мнению Лу, это важно, потому что крошечные алмазы становятся все более популярным материалом для создания новых электронных и квантовых устройств. «К тому же искусственные алмазы сейчас стали чрезвычайно дешевы, так что настал подходящий момент для их внедрения во все новые и новые области [применения]», — добавил он.
