Результаты наблюдений за нанослоями и молекулами под давлением обещают более прочные материалы

Стандартный пресс для создания механического напряжения в твердых телах.

Когда дело касается проверки на прочность, графит, представляющий собой слои углеродных атомов, проявляет себя не с лучшей стороны. Но подвергните его сверхвысокому давлению, и графит превратится в алмаз – самую прочную субстанцию из ныне известных и незаменимый материал для целого ряда устройств.

По сравнению с алмазами, большинство материалов, меняющих структуру под высоким давлением, возвращаются к своему прежнему строению, когда давление исчезает. При этом они теряют все полезные свойства, полученные в момент давления.

Недавно, вооружившись теоретическими и экспериментальными данными, ученые продвинулись на пути создания нового типа исключительно прочных, износостойких материалов, которые сохраняют свойства, появляющиеся в условиях высокого давления (включая прочность и сверхпроводимость), в обычных условиях низкого давления, сообщает physorg.com.

Статья об исследовании, которое возглавил Жонгву Ванг (Zhongwu Wang) – научный сотрудник Корнельского генератора высокоэнергетического синхротронного излучения (CHESS), появилась журнале Proceedings of the National Academy of Sciences 12 октября. В иследовании приняли участие нобелевский лауреат 1981 года по химии Роалд Хоффманн (Roald Hoffmann), почетный профессор гуманитарных наук Франк Х.Т.Родес (Frank H.T. Rhodes), ученые из CHESS, научная группа из Южной Кореи и пост-докторант группы Хоффмана Ксяо-донг Вен (Xiao-dong Wen).

Ученые часто используют дифракцию рентгеновских лучей – метод, при котором рентгеновские лучи проектируются на структуру и улавливаются пленкой после того, как проходят сквозь и отражаются от поверхности, определяя статическую структуру атомов и молекул. Но до сих пор преобразование и взаимодействие двух структур происходило в метафорическом «черном ящике».

Чтобы открыть этот «ящик», ученые обратили внимание на вюрцит – кристалл сульфида цинка, атомы которого располагаются в виде алмазоподобной структуры, а молекулы связываются на поверхности. Когда тонкие слои вюрцита оказываются под давлением в 10.7 гигапаскалей , что равняется давлению на поверхности Земли, умноженному в 107 000 раз, их атомная структура превращается в структуру, подобную каменной соли.

rnznimpdobpm.jpg Рис. 1. Чтобы пронаблюдать за изменениями в молекулярной структуре кристалла под давлением ученые использовали технологию малой- (SAXRD) и широкоугольной (WAXRD) рентгеновской дифракции.

Воздействие на макроразмерный кристалл высоким давлением может привести к его разрушению (в результате увеличения небольших дефектов, его структура и трансформационный процесс становятся неправильными). Поэтому группа корейских ученых вместо обычных кристаллов подготовила бездефектные нанослои вюрцита толщиной всего 1.4 нм.

Применяя давление, Ванг и его коллеги объединили две рентгенографические методики (малую- и широкоугольную рентгеновскую дифракцию), чтобы охарактеризовать изменения поверхностной формы кристалла, внутренней атомной структуры, а также структурные изменения связанных с поверхностью молекул.

Сначала они обнаружили, что для трансформации нанослоям требуется давление в три раза больше, чем такому же материалу в более крупной кристаллической форме. Они также проверили предел текучести (уровень напряжения, при котором материал начинает деформироваться), твердость (сопротивление к царапинам и стиранию) и эластичность (способность возвращать свою прежнюю форму) в момент трансформации. Понимание, как эти свойства меняются в ходе взаимодействия молекул, поможет исследователям создавать более прочные, упругие материалы, считает Ванг.

Добавив к поверхности нанослоев, находящихся под высоким давлением, связывающую молекулу (слабый лиганд), исследователи заметили эффект ее соединения с внутренней структурой нанослоев, трансформационным давлением и интервалом.

Пока Ванг и его коллеги экспериментировали в CHESS, Вен и Хоффманн разрабатывали соответствующую теорию трансформационного взаимодействия.

Данные эксперимента и теории хорошо согласуются, – сказал Ванг. – Теперь мы знаем, как двигаются атомы. Мы поняли промежуточный этап».

Следующим шагом на пути создания материала, сохраняющего уникальные свойства каменной соли при нормальном атмосферном давлении, будет проверка способов блокирования обратной трансформации – из каменной соли в вюрцит.

Важность данного эксперимента еще и в том, что он позволит разобраться в трансформационных процессах и других веществ.

Его можно применить ко всем другим материалам, – сказал Ванг. – Просто следуйте тому, как мы проводили измерения».

По материалам:

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 4.6 (5 votes)
Источник(и):

1. Physorg.com

2. popnano.ru