Химики из США и Китая синтезировали новую форму углерода со смешанной гибридизацией.
Важным направлением современного материаловедения выступает разработка прочных, но легких материалов, например для изготовления защитных военных конструкций (бронежилетов, обшивки). Сейчас с этой целью, как правило, используются металлы и высокотехнологичная керамика — их предел текучести и предел прочности достигают двух и девяти гигапаскаль соотвественно. Однако эти материалы отличаются громоздкостью. В качестве альтернативы рассматриваются производные углерода: за счет многообразия модификаций это соединение позволяет комбинировать значения таких параметров, как эластичность, твердость и масса.
Разные формы углерода определяются гибридизацией орбиталей (s, p, d, f) центрального атома в молекуле: их смешение обусловливает расположение и особенности ковалентных связей, и, как следствие, свойства материала. Например, к формам углерода с sp2-гибридизацией относятся гибкие углеродные нанотрубки и графен, а с sp3-гибридизацией — твердые алмаз и лонсдейлит. В новой работе специалисты из Яньшаньского университета и других учреждений представили результат комбинирования состояний гибридизации. Для этого они использовали стеклоуглерод — твердого материала из sp2-гибридизированных орбиталей, которые формируют неупорядоченно расположенные шестиугольники.
Чтобы изменить кристаллическую решетку, образцы стеклоуглерода нагревали до 1100 градусов Цельсия и подвергали давлению в размере до 25 гигапаскаль (порядка 247 тысяч атмосфер). Последующий анализ показал, что при определенных условиях материал приобретал графеноподобную форму, при этом некоторые орбитали в ней имели sp3-гибридизацию. Число таких атомов достигало 22±5, возрастая с повышением температуры. На небольших масштабах просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) позволяла наблюдать в конечной структуре sp3-гибридизированные области, «сшивающие» листы графена. Тем не менее, в масштабах целого образца она была неупорадочена.
По словам авторов, полученный материал обладает высокими эластичностью, твердостью на вдавливание и прочностью на сжатие и после локальных деформаций восстанавливает структуру. В сочетании с небольшой массой и толщиной это значительно расширяет потенциальные сферы его приложений. Между тем ранее другая группа исследователей представила технологию модулирования смачиваемости графеноподобных структур. Изучение смачиваемости и поиск способов ее модуляции важны для многих отраслей, в том числе промышленности и медицины. Наименее воспроизводимым остается «переключение» показателя в одном материале.
Статья опубликована в журнале Science Advances.
Несмотря на актуальность разработок, связанных с модификациями углерода, ученые реализуют и иные направления. Так, весной 2017 года химики открыли новую, седьмую степень окисления плутония, а также впервые коснулись атомов водорода с помощью модифицированного атомно-силового микроскопа.
