"Стрельба" углеродными нанотрубками позволяет превратить их в алмазные нанокристаллы - «Наука и технологии»

Супермен, главный герой одноименных комиксов и научно-фантастических фильмов, мог делать алмазы, просто сжимая кусок угля в своем кулаке. А ученые из университета Райс (Rice University) пошли по несколько иному пути, они получают алмазные нанокристаллы и другие формы углерода, поражая мишень разогнанными до высоких скоростей углеродными нанотрубками. Такой процесс получения алмазных нанокристаллов не сделает никого богатым, однако, он "обогатит" ученых и инженеров, занимающихся разработкой космической техники и другой техники, подвергающейся периодическому кратковременному воздействию от ударов частиц, летящих на высокой скорости.

Исследования, проведенные группой Пуликеля Аджаяна (Pulickel Ajayan) и Дугласа Гэльвэо (Douglas Galvao), показали, что энергия, выделяющаяся при столкновении нанотрубки с мишенью, расходуется на разрушение химических связей между атомами углеродной нанотрубки. Эти атомы, оказавшиеся в свободном состоянии, повторно объединяются, а условия окружающей среды определяют тип новой структуры углерода. Знания о том, как ведут себя атомы различных элементов в подобных условиях, позволят учеными и инженерам разработать новые виды сверхлегких материалов с уникальными механическими свойствами для космической техники, которая обретет способность выдерживать удары высокоскоростных объектов, таких, как микрометеориты.

Во время своих исследований ученые упаковали углеродные нанотрубки в виде шариков и разогнали их внутри оптическо-газовой пушки, созданной специально для этих целей. Нанотрубочные шарики разгонялись до трех различных фиксированных скоростей и поражали мишень, изготовленную из алюминия. Самое большое количество алмазных нанокристаллов образовывалось при разгоне шариков до скорости в 3.9 километра в секунду. Меньшее их количество образовывалось при скорости в 5.2 километра в секунду, а при скорости в 6.9 километра в секунду алмазы уже практически не образовывались. Вместо этого почти все нанотрубки расщеплялись на узкие полосы одномерного материала - графена.

При высокой скорости разгона нанотрубок получившиеся при этом полосы графена "сваривались" друг с другом и с другими нанотрубками, образуя весьма причудливые структуры, видимые только под электронным микроскопом. Кроме этого, вид "конечного продукта" от столкновения нанотрубок с мишенью очень сильно зависит не только от скорости разгона, на это влияет ориентация нанотрубок относительно мишени и относительно друг друга, количество стенок нанотрубок, их длина и т.п.

"Во время предыдущих исследований мы узнали, что при гиперскоростном ударе из углеродных нанотрубок должны формироваться графеновые наноленты" - рассказывает Дуглас Гэльвэо, - "Мы ожидали получить хаотичные наноструктуры из "сваренных" друг с другом форм углерода. Но мы были удивлены появлением хорошо структурированных алмазных нанокристаллов".

И в заключении следует отметить, что данный метод можно считать весьма перспективным методом производства наноструктурированных материалов не только на основе углерода, но и на основе других химических элементов. И, несмотря на достаточную дороговизну такого метода, он может оказаться единственным доступным на сегодняшний день методом производства определенных материалов, обладающих целым набором уникальных физических и химических свойств.