Международная группа ученых из Китая и США открыла новую форму углерода. Она представляет собой листы графена, скрепленные между собой за счет того, что часть атомов в них имеют sp3-гибридизацию. Полученный материал совмещает в себе прочность и упругость. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
Различные формы углерода отличаются в том числе и по гибридизации составляющих их атомов. Упрощенно гибридизацию можно представить как конфигурацию электронных орбиталей атомов в молекуле, которая определяет особенности и расположение ковалентных связей между ними. Это в свою очередь определяет свойства всего материала. Так, твердый алмаз полностью состоит из углерода в состоянии sp3-гибридизации, а гибкий графен из атомов с sp2-гибридизацией. Ученые решили, что комбинация разных типов гибридизации позволит создать материал с интересными свойствами.
Для того, чтобы получить такой материал, исследователи использовали в качестве исходного сырья стеклоуглерод — неупорядоченную форму углерода, состоящую из sp2-гибридизированных атомов, образующих хаотично расположенные шестиугольники. Образцы стеклоуглерода подвергались давлению до 25 гигапаскаль (около 250 тысяч атмосфер) и нагреванию до 1100 градусов Цельсия. В результате, исследователи обнаружили, что при некоторых условиях материал образовывал графеноподобную структуру, в некоторых местах которой углеродные атомы имели sp3-гибридизацию, за счет чего «сшивали» листы графена между собой. Доля таких атомов варьировалась от 9±2 до 22±5 процентов и была выше у образцов, обработанных при более высоких температурах. Полученная структура на малых масштабах была похожа на сшитые листы графена, но в масштабах всего образца была неупорядочена.
Полученный учеными материал оказался прочным и твердым, но в то же время и эластичным — он восстанавливал свою структуру после локальных деформаций, таких как индентирование. Исследователи считают, что эти свойства в сочетании с низким весом материала позволят использовать его в самых различных областях, к примеру для создания защитных элементов военной техники.
Несмотря на то, что исследованиям углерода посвящено огромное количество работ, ученые все еще находят новые его формы. К примеру, в 2015 году американские материаловеды получили ферромагнитный материал на его основе, в котором часть атомов так же находилась в состоянии sp3-гибридизации, а часть в sp2. А в начале 2017 года немецким химикам удалось создать рекордное соединение, в котором атомы углерода были одновременно связаны с шестью другими углеродными атомами.
Григорий Копиев