Подпишитесь на нашу ежедневную рассылку с новыми материалами

Наука


Исследование свойств нового углеродного материала — карбина — показало, что он в два раза прочнее алмаза и графена, а также обладает уникальными электрическими свойствами, говорится в статье, размещенной в электронной библиотеке Корнеллского университета группой под руководством Бориса Якобсона из университета Райса (США).

Нить карбина при переходе из одной формы в другую. Изображение: Boris I. Yakobson et al.
Нить карбина при переходе из одной формы в другую. Изображение: Boris I. Yakobson et al.

"Ранее уже было известно о высокой упругости карбина на растяжение, но в практических приложениях куда более важна другая характеристика: удельная жесткость (отношение упругости к весу) — мы установили, что по этому параметру карбин вдвое превосходит графен, алмаз и нанотрубки. Кроме того, мы впервые получили оценку его удельной прочности (прочность на разрыв на единицу массы), и она также оказалась в полтора-два раза выше, чем у этих материалов", — сказал Василий Артюхов из университета Райса, один из авторов исследования.

Пополнение в большой семье

Ученым известно множество различных углеродных материалов. Их свойства радикально отличаются в зависимости от молекулярной структуры, которую образуют атомы углерода. Помимо алмаза и графита, в углеродную "семью" входят нанотрубки, фуллерены ("шары", собранные из 60 атомов углерода), графен (слой атомов углерода толщиной в один атом).

Новый член семейства - карбин - представляет собой одноатомную углеродную нить. Впервые о получении этого соединения в 1960-1970-е годы заявили ученые из Института элементоорганических соединений (ИНЭОС) РАН. Группа под руководством Алексея Сладкова утверждала, что им удалось получить две разновидности карбина - кумулен (где каждый атом связан с двумя соседями двумя двойными связями) и полиин (где чередуются тройные и одинарные связи). Однако впоследствии ученые нашли другие возможные объяснения некоторым из экспериментальных наблюдений.

"Возникла несколько противоречивая ситуация, в которой осторожное по своей природе научное сообщество скорее склонилось к мнению "карбина не существует". Это не означает, что все свидетельства в пользу существования карбина были опровергнуты. Я бы сказал, что с большой уверенностью можно утверждать, что в 1970-е карбин уже был успешно получен", - сказал Артюхов.

Эксперименты в компьютере

На данный момент получение карбина остается крайне сложной задачей, поэтому ученые пока проводят эксперименты не с настоящим веществом, а прибегают к помощи квантово-механического моделирования на суперкомпьютерах. "В предыдущих работах… внимание было сосредоточено на каких-то отдельных его характеристиках, мы же задались целью охарактеризовать его сразу со всех сторон, то есть создать полную механическую модель материала", - говорит Артюхов.

Результаты такого моделирования показали, что карбин обладает уникально высокой жесткостью - его удельная прочность на килограмм массы составляет 1 миллион килоньютонов на метр. Это в два раза выше прочности нанотрубок и графена (0,45 миллиона килоньютонов) и почти в три раза прочнее алмаза - 0,35 миллиона килоньютонов). "Мы обнаружили и несколько других интересных явлений, например то, что у карбина можно "включать" крутильную жесткость путем присоединения определенных функциональных групп на концах", - сказал собеседник агентства.

Кроме того, Якобсон и его коллеги смогли доказать, что при растяжении карбиновой нити радикально меняются ее электрические свойства — она "превращается" из формы кумулена (который является проводником) в форму полиина (диэлектрик), то есть, натягивая нить карбина, можно выключать и включать проводимость.

Не космический лифт, но электроника

Пока технологии получения карбина крайне сложны. Самая длинная нить карбина — 6 нанометров — была получена в 2010 году учеными из Канады. Поэтому, по словам Артюхова, карбин может быть использован в качестве компонента различных сложных наносистем. "Он мог бы служить "нанотросом" или "наностержнем" (в зависимости от длины), а также проводящим или полупроводниковым "кабелем", — говорит ученый.

Несмотря на его уникальную механическую прочность, карбин вряд ли можно будет использовать для создания сверхпрочных макроскопических тросов, например для "космических лифтов".

"Дело в том, что прочность материала всегда определяется не самым сильным, а наоборот — самым слабым "звеном" в нем. В углеродных волокнах это — соединения между графитовыми листами, в композитах с нанотрубками — контакт между нанотрубкой и матрицей. И сколько ни улучшай свойства усиливающих элементов в системе, прочность ее останется постоянной, если они плохо соединены друг с другом", — говорит Артюхов.

Зато карбин может пригодиться в электронике — в зависимости от натяжения у него резко меняются проводимость и оптический спектр поглощения. "Натяжением можно контролировать, к какой длине волн света материал максимально чувствителен. Это очень полезное свойство для оптоэлектронных приложений, в частности, в телекоммуникациях", — отметил ученый. 
Нужные услуги в нужный момент
{banner_819}{banner_825}
-10%
-25%
-20%
-20%
-10%
-30%
-16%
-50%