Английский язык. Тысячи / VII (пять тысяч) / Перевод

Высокая жесткость: наноматериалы как конкуренты алмаза по твердости.

Наноструктурированная и прозрачная форма нитрида бора тверже, чем некоторые формы алмаза.

Джон Мэтсон

Это всего лишь вопрос времени, когда кинозлодей, осуществляющий преступление столетия, будет нуждаться в режущем инструменте, который тверже, чем что-либо еще на Земле. Возможно, это кража со взломом, которая включает в себя резку контейнера, сделанного из алмаза — который, как мы все узнали из бесчисленного количества фильмов про ограбление, сам по себе достаточно крепок, чтобы разрезать стекло. Или, может быть, это определенный проект по бурению скважины в недра планеты самым твердым сверлом в мире.

Какими бы ни были детали сюжета, научно мыслящим сценаристам стоит обратить свое внимание на кубический нитрид бора, материал, который по многим свойствам напоминает алмаз. Нитрид бора может быть сжат в супертвердую, прозрачную форму — но в отличие от алмаза и многих других материалов, известных их чрезвычайной твердостью, он базируется не на углероде, а на решетке из атомов бора и азота. Компьютерные моделирования указали, что редкая кристаллическая форма нитрида бора сопротивлялась бы сжатию (вдавливанию) еще лучше, чем алмаз, если это могло бы быть синтезировано в большие образцы, и лабораторные эксперименты показали, что более достижимые формы материала уже приближаются к твердости алмаза.

Теперь новый комплект экспериментов на форме наноструктурированного нитрида бора привел к еще большим замерам твердости, чем прежде. Новый материал превышает показатели некоторых форм алмаза, согласно авторам исследования, сообщивших о результатах 17 января в "Природе". Но количественное определение свойств супертвердых материалов является хитрым бизнесом, и по крайней мере один ведущий исследователь остается неубежденным в том, что авторы исследования обнаружили что-либо новое.

В течение многих лет ученые работали над тем, чтобы сократить отдельные зерна в пределах материальных структур, потому что границы между зернами могут остановить внутреннее движение и помогают противостоять деформации, как и ряд мелких стен в рамках более крупной структуры. Суть исследовательской стратегии этого последнего условия, , говорит ведущий автор исследования Yongjun Tian из университета Yanshan в Китае, заключается в сокращении масштабов микроструктур внутри материала путем создания функции под названием "сверхтонкие нанодвойники". Нанодвойник - кристаллический сегмент, который отражает направление атомов на другую сторону поверхности раздела (так называемая двойная граница) в пределах материала. Также, поликристалл, сделанный из областей с нанодвойником, немного походит на кусок фанеры, где деревянное зерно полностью изменяет направление в каждом последовательном слое. В поликристаллах нитрида бора, синтезируемых Tian и его коллегами, сегменты нанодвойника всего в ширину 3.8 нанометра в среднем.

Исследователи изготовили свои образцы из круглых наночастиц нитрида бора, в котором атомы азота и бора формируют подобную луку структуру вложенных слоев. Сдавленный в макроскопические шарики и подвергнутый интенсивному давлению и высокой температуре, наночастицы соединились в крошечные зерна, включающие многочисленные двойные области. Предшественники, подобные луку, как объясняет Tian, содержат многочисленные дефекты, где кристаллы могут собираться вокруг ядра под высокой температурой и давлением, но сопротивление быстрому росту кристаллов, создающему многочисленные дискретные карманаы кристаллического порядка в пределах большего, несколько нарушает порядок поликристаллического строения.

При температурах выше 1,800 градусов Цельсия и давлениях до 15 гигапаскалей, гранулы нитрида бора сформировали круглые глыбы размерами около двух миллиметров, которые были “бесцветны и полностью прозрачны, так, чтобы они были похожи на стекло и алмаз по внешности”, говорит Tian. Он и его коллеги решили, что у тех образцов была взвешенная твердость до 108 гигапскалей — немного весомее, чем синтетический алмаз, но менее твердый, чем поликристаллические алмазы, сделанные из наноразмерного зерна.

Но Natalia Dubrovinskaia, кристаллограф в университете Бейрута в Германии, отмечает, что измерение свойств супертвердых материалов проблематично, потому что это требует использования еще более твердого материала для справки. Тест твердости Vickers, например, которым авторы нового исследования раньше измеряли твердость нанодвойника нитрида бора, где мера есть как материал реагирует на давление от точки пирамидального куска алмаза, называемого индетором. Как увеличивается сила, примененная к алмазной пирамиде, так проявляется способность материала сопротивляться индентированию, которые выравниваются в так называемом асимптотическом значении. Но тест основан на идее, что алмаз будет делать индентирование, а не наоборот. “Если индентор более мягок, чем материал при исследовании, то это абсолютно бессмысленно,” говорит Dubrovinskaia.

Преследование супертвердых материалов есть не просто поиски, чтобы установить рекорды. Нитрид бора уже используется в резаках, которые могут резать через чрезвычайно жесткие материалы, и Dubrovinskaia ссылается на бурение для добычи ресурсов в качестве еще одного приложения. “Мы все еще нуждаемся в действительно супертвердых материалах, чтобы исследовать все глубже и глубже поверхность Земли,” говорит она. В некоторых отношениях, таких, как стабильность при высоких температурах, нитрида бора превосходят алмаз.

Также, она отмечает, “это, вероятно, был бы прорыв в области”, если бы исследователи доказали, что поликристаллический нитрид бора имеет самое большое значение твердости - около 100 гигапаскалей. “Статьи не предоставляют доказательства, что материал так тверд,” предостерегает она. Данные из нового исследования только показывают, как нанодвойник нитрид бора прореагировал на идентирование нагрузки с силой в семь ньютонов. “Но они сообщают в статье, что провели испытание при более высокой нагрузке для этого материале, и они получили много трещин вокруг следа действия,” отмечает Dubrovinskaia. Если значение твердости понизились при более высокой нагрузке, как она говорит, истинное значение для образцов нитрида бора могло бы быть ближе к 80 или 85 гигапаскалям. Та мера совпала бы с числами, о которых она и ее коллеги сообщили в 2007 году для другого высокотемпературного синтеза под высоким давлением наноструктурированного нитрида бора. В той работе, изданной в Applied Physics Letters, Dubrovinskaia и ее коллеги представили данные от тестирования Vickers с нагрузками до 10 ньютонов.