Нанодиаманти стават по-меки при намаляване на размера, установиха учени

Ново изследване установи, че при достигане на наномащаб твърдостта на диамантите може значително да намалее. Според данни, цитирани от БТА, при намаляване на диаметъра на кристалите от 12 до 4 нанометра техните механични свойства се променят: твърдостта спада с приблизително 30 процента, което ги прави по-гъвкави от техните по-големи аналози.

Какво измериха учените

Проучването е проведено от екип, ръководен от изследователи от Университета на Чжънчжоу. За експериментите са използвани нанодиаманти с размер около четири нанометра — обекти, чиито размери са стотици пъти по-малки от някои вируси. В лабораторни условия учените са притискали тези нанокристали между специално изработени диамантени цилиндри и са регистрирали тяхното съпротивление на деформация.

За верификация на наблюденията е извършена серия от опити с около 100 отделни образеца. Тестовете са провеждани при условия на висок вакуум, за да се изключат външни влияния, които биха могили да повлияят на измерванията. Освен емпиричните експерименти, екипът е приложил и компютърно моделиране, за да изследва по-подробно механизма зад наблюдавания ефект.

Обяснение на явлението

Авторите на изследването предлагат обяснение, свързано с промяна в структурните характеристики на материала при преминаване в наномащаб. При много малки кристали делът на атомите, разположени на повърхността, нараства значително спрямо броя на атомите във вътрешността на кристала. Тази промяна води до различно поведение на връзките между повърхностния слой и вътрешната част на диаманта.

Според учените връзките между външните атоми и ядрото на нанокристала се оказват по-слаби, отколкото при по-големите кристали. В резултат материалът демонстрира по-голяма еластичност и по-малка твърдост при външен натиск, отколкото би се очаквало на базата на свойствата на макроскопичните диамантени образци.

Практически приложения и значение

Наблюдаваната промяна в механичните характеристики има значение за развитието на нови технологии. Нанодиамантите се разглеждат като обещаващ материал за приложение в електрониката и в устройствата за квантови технологии, където специфични механични и електронни свойства на малкия мащаб могат да бъдат от критично значение.

По-нататъшното проучване и евентуалното намаляване на разходите за производство на нанодиаманти биха могли да направят тези материали по-достъпни за промишлени и изследователски приложения. По-меката и по-еластична природа на нанодиамантите при определени условия може да отвори нови възможности при проектиране на компоненти, които изискват едновременно висока якост и способност за деформация.

Методологични бележки

Използването на висок вакуум в експериментите и големият брой проби (около 100) са посочени от авторите като мерки за намаляване на грешките и за повишаване на надеждността на резултатите. Комбинацията от физически тестове и компютърно моделиране позволява както да се регистрират наблюдаваните промени, така и да се опитат да се установят причинно-следствени връзки на атомно ниво.

Подробното разбиране на механизма, чрез който взаимодействията между повърхностни и вътрешни атоми водят до понижена твърдост, остава предмет на допълнителни изследвания, но настоящите резултати предлагат важна основа за бъдещи технологични приложения и за по-добро моделиране на свойства на материалите в наномащаб.