Изследване: диамантите стават по-меки в наномащаб

Според БТА, изследване на китайски учени показва, че при рязко намаляване на размера на диамантите техните механични свойства се променят съществено. Когато диаметърът спадне от около 12 нанометра до примерно 4 нанометра, твърдостта намалява с приблизително 30 процента, което прави тези нанодиаманти по-гъвкави и по-еластични в сравнение с по-големите кристали.

Как беше проведено изследването

Екип под ръководството на учени от Университета на Чжънчжоу е анализирал поведение на диаманти с размери в порядъка на няколко нанометра — около четири нанометра, което е стотици пъти по-малко от някои вируси. В лабораторните опити изследователите са притискали отделни нанокристали между тънки диамантени цилиндри и са измервали тяхното съпротивление срещу деформация.

За верификация на наблюдавания ефект са проведени серия от експерименти с приблизително 100 отделни образци. Работата е извършена при условия на висок вакуум, за да се минимизират възможните външни влияния и замърсявания, които биха изкривили резултатите. Паралелно с физическите тестове е използвано и компютърно моделиране, което е помогнало да се разясни механизма зад промяната на свойствата.

Микроструктурно обяснение на явлението

Авторите на изследването обясняват откритието с промени в структурата на материала при преминаване в наномащаба. При много малки кристали относителният дял на атомите, разположени на повърхността, се увеличава значително спрямо броя на атомите във вътрешността на частицата. Това води до по-голямо значение на повърхностните ефекти за общото поведение на кристала.

В същото време връзките между атомите в повърхностния слой и тези във вътрешността се оказват по-слаби, в сравнение с връзките в по-големите кристали. Именно това отслабване на междумолекулните/междуатомни връзки намалява устойчивостта на материала срещу натиск и прави нанодиамантите по-еластични при деформация.

Практическо значение и потенциални приложения

Изследователите подчертават, че откритият спад на твърдостта при намаляване на размера не е само академичен интерес, а има потенциални приложения в разработката на нови технологии. Нанодиамантите се разглеждат като обещаващ материал за различни видове електронни компоненти и за квантови устройства, където комбинацията от механична гъвкавост и специфични оптични или електронни свойства може да бъде от ключово значение.

Освен това промяната в механичните характеристики може да повлияе на производствените процеси и на разходите за материалите. Ако по-малките диаманти могат да бъдат произведени и използвани ефективно при по-ниски цени, това би направило някои разработки по-достъпни и би ускорило внедряването на нанодиаманти в приложни технологии.

Заключение

Наблюдаваният спад около 30% в твърдостта при преминаване от 12 към 4 нанометра поставя нов акцент върху ролята на повърхностните атоми и връзките между тях и вътрешната част на кристала. Комбинацията от експериментални измервания при висок вакуум и компютърно моделиране предоставя надеждна основа за по-нататъшни изследвания и за разработване на приложения, които използват уникалните свойства на нанодиамантите.