Впервые ультратвердый фуллерит был синтезирован российскими учеными из троицкого Технологического института. Однако производить его было очень трудно — требовалось нагреть реагенты до температуры восемьсот градусов по Цельсию и подвергнуть давлению в 130 тысяч атмосфер.

Наши ученые предложили добавлять к реагентам сероуглерод, благодаря чему ультратвердый материал удается получить даже при комнатной температуре и при гораздо более низком давлении. 

Новый метод производства фуллерита, разработанный российскими учеными, имеет огромный потенциал для применения в различных областях, таких, как обработка металлов, электроника и медицина. Инновационная технология открыла совершенно новые возможности для развития научно-технического прогресса во всем мире.

В 1995 году российские ученые из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов синтезировали уникальный материал — ультратвердый фуллерит, состоящий из фуллеренов и по твердости превосходящий алмаз. Фуллерен в свою очередь — это особый вид молекул, состоящих из атомов углерода. На сегодня наиболее известен вариант фуллерена, который состоит из 60 атомов — C_60.

Что такое фуллерит

Несмотря на удивительные качества фуллерита, долгое время ученые почти не занимались его изучением. Дело в том, что раньше производство фуллерита в промышленных масштабах было невозможно — процесс требовал слишком высоких мощностей. Эта проблема была решена российскими учеными из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов в Троицке, МФТИ, МИСиС и МГУ в 2014 году.

Фуллерит — это углеродный материал, состоящий из молекул фуллерена. Его свойства варьируются — они сильно зависят от того, каким образом молекулы связываются в структуру. Так, ученые из троицкого Технологического института смогли синтезировать из фуллерена трехмерный полимер — ультратвердую разновидность фуллерита, в которой молекулы связаны друг с другом во всех направлениях.

ИНТЕРЕСНЫЙ ФАКТ
Изначально считалось, что фуллерен можно получить только в лабораторных условиях, однако позже выяснилось, что он встречается и в природе — раньше его просто не замечали. Так, молекулы фуллерена обнаружили в шунгитах из Северной Карелии, метеоритах и на дне океана. Их также обнаружили в морской воде и в воздухе над Средиземным морем. В изобилии фуллерены находятся и в космосе — как в твердой, так и в газообразной форме.

Особенностью полимерного фуллерита стало то, что он — как показали испытания — оказался тверже алмаза. До этих пор именно алмаз считался самым твердым материалом в мире, и ни один ученый не мог создать материал, который превзошел бы этот природный кристалл.

После взаимодействия фуллерита с алмазом в рамках лабораторных исследований на последнем остались царапины. А после обработки ультратвердого материала на алмазной наковальне на той остались вмятины.

Сравнение алмаза и ультратвердого фуллерита:

•  Минимальная твердость полимерного фуллерита — 150 гигапаскаль.
  
•  Минимальная твердость алмаза — 70 гигапаскаль.
  
•  Максимальная твердость полимерного фуллерита — 300 гигапаскаль.
  
• Максимальная твердость алмаза — 150 гигапаскаль.
  

Открытие нового способа производства фуллерита

Несмотря на впечатляющие показатели, реального применения полимерный фуллерит так и не получил. Несмотря на то, что ученые всего мира и отмечали ценность этого материала, его производство было нецелесообразным. 

Дело в том, что для создания ультратвердого фуллерита реагент в виде фуллеренового порошка нужно нагреть до 820 градусов Цельсия и подвергнуть давлению примерно в 130 тысяч атмосфер. В промышленных условиях наладить такое производство нереально — современные технологии элементарно не могут выдавать такие мощности.

Однако решение было найдено. В 2014 году в голландском научном журнале Carbon, в котором публикуются передовые статьи, связанные с углеродом, вышел совместный труд российских ученых под названием «Синтез ультратвердого фуллерита с помощью каталитической трехмерной полимеризации C₆₀». 

Говоря простым языком, исследователи предложили добавлять в реагенты сероуглерод CS_2, который упрощает полимеризацию молекул фуллерена. Благодаря этой добавке ультратвердый фуллерит будет синтезироваться при куда меньшем давлении (примерно в 80 тысяч атмосфер), а также при комнатной температуре.

При этом искомый сероуглерод повсеместно применяется в промышленном производстве и методы работы с ним давно отточены до предела.

ИНТЕРЕСНЫЙ ФАКТ
Несколько лет спустя в журнале Carbon вышла статья тех же российских ученых, в которой они описали метод укрепления алмаза с помощью фуллерита. Полученный «сплав» выходил на порядок крепче обычного алмаза.

Мировое значение фуллерита

К сожалению, ультратвердый фуллерит до сих не получил широкого распространения. Его производство все еще слишком трудозатратно, особенно если учесть наличие привычного аналога в виде природного алмаза, с которым промышленники и ученые работают уже десятки лет.

Тем не менее, российские ученые внесли серьезный вклад в изучение удивительных свойств фуллеренов и фуллерита. 

Где сегодня применяют разные варианты фуллерита:

•  Фармакология;
  
•  Производство красителя для копировальных машин;
  
•  Производство сверхпроводников и фотопроводников;
  
•  Производство аккумуляторных батарей;
  
•   И т.д. 
  

Ультратвердый фуллерит интересен в первую очередь для создания инструментов по обработке сверхтвердых металлов. В будущем этот материал может полностью заменить алмазные инструменты, и особенную роль в этом сыграют открытия ученых Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов в Троицке, МФТИ, МИСиС и МГУ.

Популярные вопросы

Вопрос: Правда ли, что фуллерит тверже алмаза?

Ответ: Да, максимальная твердость алмаза достигает 150 гигапаскаль, тогда как максимальная твердость фуллерита — 300 гигапаскаль, то есть в два раза больше.

Вопрос: Где применяется фуллерит?

Ответ: Сегодня фуллерены и производный от них фуллерит применяют в медицине, фармакологии, а также для создания сверхпроводников и аккумуляторных батарей. Он также подходит для укрепления алмазов.

Вопрос: Как синтезируют/производят фуллерит?

Ответ: Ультратвердый фуллерит производят путем сжатия фуллеренов — сферических молекул углерода. Смесь реагентов подвергают давлению в 130 тысяч атмосфер и нагревают до 820 градусов по Цельсию. Благодаря открытию российских ученых, этот процесс удалось упростить — если добавить к реагентам сероуглерод, то порог давления снизится до 80 тысяч атмосфер, а необходимый уровень температуры вовсе понизится до комнатной.