I fisici hanno simulato la struttura di un nuovo materiale a base di fullerite e diamante a cristallo singolo per mostrare come questo materiale può ottenere una durezza ultraelevata. Questa scoperta offre condizioni potenziali per ottenere materiali ultraduri. I risultati sono stati pubblicati in Carbonio .

La fullerite è un cristallo molecolare con molecole di fullerene ai suoi nodi reticolari. Il fullerene è una molecola sferica di atomi di carbonio. È stato sintetizzato per la prima volta oltre 30 anni fa, e la sua scoperta è stata premiata con il Premio Nobel. Le sfere di carbonio in fullerite possono essere confezionate in diversi modi, e la durezza del materiale dipende fortemente da come i fullereni sono collegati tra loro. Un team di scienziati russi ha ora spiegato perché la fullerite diventa un materiale ultra-duro.

Alexander Kvashnin, Candidato di Fisica e Matematica, l'autore principale, disse, "Quando abbiamo iniziato a discutere di questa idea, Stavo lavorando al TISNCM. Là, nel 1998, un gruppo di scienziati guidati da Vladimir D. Blank ha ottenuto un nuovo materiale a base di fullereni:fullerite ultradura, o 'tisnumit.' Secondo le misurazioni, questo nuovo materiale poteva graffiare il diamante:era, infatti, più duro del diamante."

La sostanza non era un materiale monocristallino; conteneva carbonio amorfo e molecole di C60 polimerizzate in 3-D. Ancora, la sua struttura cristallina non è ancora completamente compresa. La molecola del fullerene ha un'eccellente rigidità meccanica. Allo stesso tempo, il cristallo di fullerite è un materiale morbido in condizioni normali, ma diventa più duro del diamante sotto pressione (a causa della polimerizzazione 3-D). Sebbene questo materiale sia stato sintetizzato e studiato per più di 20 anni, il motivo per cui diventa ultrahard è ancora sconosciuto. C'è un certo numero di modelli che sono stati sviluppati per spiegare come i fullereni possono essere polimerizzati in fullerite.

Uno dei modelli è stato proposto dal Prof. Leonid A. Chernozatonskii. Il modello di diffrazione dei raggi X del modello concorda perfettamente con i dati sperimentali, e dovrebbe avere un modulo volumetrico elevato, parecchie volte superiore al valore del diamante. Ma la struttura rilassata del modello non mostra proprietà così affascinanti.

Alexander Kvashnin ha detto, "Abbiamo basato la nostra analisi su quel modello e sul fatto sperimentalmente noto che se applichi più di 10 GPa di pressione alla polvere di fullerene e la riscaldi sopra i 1800 K, si ottiene un diamante policristallino. L'idea era di combinare questi due fatti. Da una parte, un materiale fullerite super duro, e d'altra parte, sotto pressione, i fullereni si trasformano in un diamante policristallino."

Gli scienziati hanno suggerito che sotto pressione, parte della fullerite trasformata in diamante, mentre l'altra parte è rimasta come fullerite in uno stato compresso all'interno del diamante. Per semplificare il modello, la struttura cristallina di fullerite proposta dal Prof. Chernozatonskii è stata posta all'interno di un singolo cristallo di diamante. I ricercatori hanno quindi studiato questo materiale composito. L'idea era che la fullerite all'interno del diamante dovesse essere compressa. È noto che nello stato compresso, aumentano le proprietà elastiche e meccaniche del materiale. E il diamante fungerebbe da conchiglia, mantenendo la fullerite compressa all'interno per preservare tutte quelle proprietà. Nello studio, hanno prima analizzato piccoli modelli contenenti 2,5 nm di fullerite all'interno del guscio di diamante spesso 1 nm. Però, un modello così piccolo non era conforme ai dati sperimentali. Quindi i ricercatori hanno iniziato a modellare i compositi, dove la dimensione della fullerite è stata aumentata fino a 15,8 nm, e lo spessore del guscio di diamante è rimasto lo stesso. I cambiamenti nello spettro di diffrazione dei raggi X hanno mostrato che l'aumento della dimensione della fullerite ha avvicinato lo spettro ai dati sperimentali. Dopo aver confrontato gli spettri, si presumeva che molto probabilmente nell'esperimento, avevano ottenuto un mezzo di carbonio amorfo con all'interno una fullerite compressa idrostaticamente, mentre il modello trattava un diamante con fullerite all'interno. Secondo lo spettro calcolato, il nuovo modello correlava molto bene con i dati sperimentali.

"Il modello sviluppato ci aiuterà a comprendere la natura delle sue proprietà uniche e a sintetizzare sistematicamente i nuovi materiali di carbonio ultraduro, oltre a contribuire all'ulteriore sviluppo di questo promettente campo della scienza, "ha detto Pavel Sorokin, responsabile del progetto (TISNCM, MISIS, MIPT).

La stessa fullerite non è molto difficile; il suo modulo di massa è 1,5 volte inferiore a quello del diamante. Ma quando è compresso, il suo modulo di massa aumenta drammaticamente. Per preservare questo modulo di massa potenziato, la fullerite dovrebbe sempre rimanere in uno stato così compresso. Utilizzando i risultati delle simulazioni, gli scienziati possono condurre esperimenti mirati per ottenere un materiale ultraduro.