Сверхтвердыми материалами можно, как известно, разрезать, сверлить и обрабатывать объекты из материалов менее плотных. Также из них можно создавать покрытия, которые практически невозможно поцарапать, что может помочь сохранять дорогое оборудование целым и невредимым. Ученые Университета Дюка (Северная Каролина, США) и Университета штата Нью-Йорк в Буффало открыли (теоретически, с помощью вычислений) 43 прежде неизвестные формы углерода, обладающие такими замечательными свойствами. Некоторые могут быть даже тверже алмаза или столь же твердыми.
Фото: Дмитрий Коротаев, Коммерсантъ / купить фото
Фото: Дмитрий Коротаев, Коммерсантъ / купить фото
Открытия
Исследование представляет собой теоретический труд: ученые лишь предсказали, что такие материалы могут существовать, но сами их пока не создали. Каждый из новых вычисленных вариантов углерода представляет собой кристаллическую решетку отдельной, особой структуры, и в поиске этих структур важную роль сыграл искусственный интеллект.
«Алмазы сейчас самый твердый материал из имеющихся на рынке, но они чрезвычайно дороги,— говорит химик из Университета штата Нью-Йорк Ева Зурек.— Нам бы хотелось отыскать что-нибудь попрочнее алмаза. Если мы найдем такие материалы, они должны быть дешевле алмаза. Они также могут обладать такими качествами, каких у алмазов нет. Возможно, они будут иметь иную тепло- и электропроводность»
Ученые считают субстанцию сверхтвердой, если ее твердость превышает 40 гигапаскалей. По методу Викерса (заключается во вдавливании в испытуемый материал правильной четырёхгранной алмазной пирамиды с углом 136 градусов между противоположными гранями). По предсказаниям исследователей, все 43 новые углеродные структуры будут достигать этого значения, а три из них, предположительно, превысят по Викерсу твердость алмаза, хотя и ненамного. Зурек предупреждает, что в вычислениях имеется некая доля неопределенности.
Техника, использованная в исследовании, может быть также применена и к другим сверхтвердым материалам, включая те, что содержат иные, чем углерод, материалы. «Пока известно довольно мало сверхтвердых материалов, интересно было бы найти новые,— говорит Зурек.— Что известно о сверхтвердых материалах, так это то, что они должны иметь прочные межмолекулярные связи. Связи углерод-углерод очень сильны, поэтому мы решили начать именно с них. Возможно, следующими могли бы стать бор и азот».
По материалам Patrick Avery, Xiaoyu Wang, Corey Oses, Eric Gossett, Davide M. Proserpio, Cormac Toher, Stefano Curtarolo, Eva Zurek. «Predicting superhard materials via a machine learning informed evolutionary structure search»; журнал Computational Materials, сентябрь 2019 г.