Физики вырастили гибкие, как резина, алмазы

Физики создали алмазные иглы с беспрецедентной способностью к так называемой упругой деформации. Образец можно растянуть на 9%, и он вернёт себе исходную форму. Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Science командой во главе с Саброй Суреш (Subra Suresh) из Наньянского технологического университета в Сингапуре.

Алмаз – один из самых твёрдых материалов в природе и технике (хотя с недавних пор и не самый твёрдый). Это обстоятельство обеспечивает драгоценному камню применение в самых разных областях, несмотря на то, что даже синтетический алмаз – не самое дешёвое удовольствие.

Однако у этой твёрдости есть оборотная сторона – хрупкость. Алмаз можно в самом буквальном смысле назвать несгибаемым. Сколько-нибудь значительно деформировать этот материал можно, только сломав образец.

Во всяком случае, так считалось до сего дня. Но группа Суреша сумела опровергнуть этот тезис.

Исследователи осаждали углерод из газовой фазы, а потом подвергали его травлению. В результате получались алмазные иглы диаметром всего в 300 нанометров, отдалённо похожие на щетину зубной щётки.

Экспериментаторы измеряли способность этих игл к деформации с помощью стандартного наноиндентора. Это устройство включает в себя наконечник (зонд), по существу представляющий собой вершину многогранника. Вершина идеальной фигуры представляет собой точку, и, следовательно, её площадь равна нулю. В реальности идеальных фигур не бывает, но всё равно площадь вершины ничтожно мала по сравнению с площадью грани. Поэтому вершина представляет собой крошечное остриё, которым можно нажимать на отдельные детали нанометрового размера.

По результатам измерений, игла, состоящая из одного кристалла, может выдержать без разрыва растягивающее напряжение от 89 до 98 гигапаскалей. При этом она растягивается на 9%, а потом возвращается к первоначальной форме. Эта цифра близка к теоретическому пределу для идеального алмаза.

Если же "щетинка" состоит не из одного кристалла, а из многих, значение максимальной деформации уменьшается более чем вдвое. Тем не менее и такой результат впечатляет, ведь у промышленного или ювелирного алмаза оно значительно ниже 1%.

Исследователи изучили структуру материала до и после деформации и смоделировали на компьютере процессы, происходящие в алмазной игле. Это помогло раскрыть секрет уникальной гибкости. Он кроется в том, что полученные кристаллы почти не имеют дефектов кристаллической решётки, неизбежных в любых более крупных образцах, как природных, так и искусственных. (Осаждение из газовой фазы позволяет получить почти идеальную кристаллическую решётку).

Авторы полагают, что изменением гибкости дело не ограничивается. Как уточняется в пресс-релизе, новая разновидность алмаза может иметь уникальные оптические, электрические, тепловые, магнитные и другие свойства. Подробное их изучение – дело будущего.

Впрочем, некоторые возможные применения алмазных игл можно назвать уже сейчас. Это, например, зонды для медицинских исследований, а возможно, и для адресной доставки лекарств.