В шесть раз тверже алмаза? Легко!

Оказывается, кроме вечного двигателя или квантового компьютера существует еще одно поле бурной деятельности для пытливых умов: создание сверхтвердых материалов. Это не столь популярная кормушка, как искусственный интеллект, однако статьи о материалах, в разы тверже алмаза, в последние годы выходят все чаще. Особенно много их публикуется в Китае. И исследователей не волнует, что их «открытия» противоречат законам природы. Нужные им законы они изобретают на ходу.

Ситуация стала столь нездоровой, что два уважаемых физика – академик Вадим Бражкин, директор Института физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина, и Владимир Соложенко, работающий в Национальном центре научных исследований Франции, – вынуждены были выступить со специальной статьей в Journal of Applied Physics. Она называется «Мифы о новых сверхтвердых фазах: почему материалы, которые значительно превосходят алмаз по модулю упругости и твердости невозможны?»

Для начала предлагаем ознакомиться с основными тезисами этой статьи.

Создание промышленности синтетических сверхтвердых материалов (алмаз и кубический нитрид бора) стало одним из величайших завоеваний технологической революции XX века. Мировое производство синтетических сверхтвердых материалов достигает тысяч тонн в год (на два порядка больше, чем дает добыча природных алмазов). Эта индустрия вовлекает сотни миллиардов долларов. Поэтому стало очень соблазнительным использовать слова «новый сверхтвердый материал» или «материал тверже алмаза» в научных статьях и заявках на гранты.

До начала 1990-х годов работы в области синтеза и изучения новых сверхпрочных материалов являлись вполне респектабельной частью материаловедения. Никто не сомневался, что алмаз и его изоэлектронный (обладающий тем же количеством валентных электронов) аналог, кубический нитрид бора, имеют наивысшие модули упругости среди всех материалов.

Новые сообщения о синтезе материалов с модулями упругости и твердостью в несколько раз большими, чем у алмаза, стали активно появляться в последние 5–10 лет.

Китайские ученые недавно отрапортовали о создании наноалмазов с твердостью 300-400 ГПа, как по Виккерсу, так и по Кнупу, и ожидаемой возможностью достичь твердости 600 ГПа, то есть в 6 раз больше, чем у алмаза.

Близкие к предельно возможным механические свойства алмаза обусловлены надежно установленными законами природы. Соответственно, любые заявления о возможности получения материалов с упругими характеристиками или твердостью в несколько раз более высокими, чем у алмаза, нельзя считать научно достоверными.

Кому интересно, читайте дальше более подробное изложение содержания статьи.

По законам природы

Вадим Бражкин и Владимир Соложенко в своей статье подчеркивают конъюнктурный характер повышенного интереса к сверхтвердым материалам.

В частности, авторы пишут, что вопреки обыденным представлениям, твердость почти бесполезна как технологическая характеристика. Несомненно, очень желательно, чтобы инструменты для обработки материалов были тверже или, по меньшей мере, не многим более мягкими, чем материал, подвергаемый обработке. Но это не единственное требование. Такие характеристики, как трещиностойкость, износостойкость, термостабильность, химическая стойкость к обрабатываемому материалу гораздо важнее для промышленного использования. Однако эти куда более важные качества находятся в тени пресловутой твердости, особенно в статьях иных исследователей и авторов научно-популярных статей. Более того, интерес к новым сверхтвердым материалам со временем только растет. Одна из причин состоит в очевидности понятия «твердость» (способность царапать или проникать) и в активном использование слов «твердый» и «мягкий» в ежедневной речи в отличие от таких терминов, как трещиностойкость или износостойкость. А самое главное, что создание промышленности синтетических сверхтвердых материалов (алмаз и кубический нитрид бора) стало одним из величайших завоеваний технологической революции XX века. Мировое производство синтетических сверхтвердых материалов достигает тысяч тонн в год (на два порядка больше, чем дает добыча природных алмазов). Эта индустрия вовлекает сотни миллиардов долларов. Поэтому стало очень соблазнительным использовать слова «новый сверхтвердый материал» или «материал тверже алмаза» в научных статьях и заявках на гранты.

Описывая сложившуюся ситуацию, авторы указывают, что до начала 1990-х годов работы в области синтеза и изучения новых сверхпрочных материалов являлись вполне респектабельной частью материаловедения. Никто не сомневался, что алмаз и его изоэлектронный (обладающий тем же числом валентных электронов) аналог, кубический нитрид бора, имеют наивысшие модули упругости среди всех материалов. Авторы напоминают, что объемный модуль упругости алмаза имеет величину 445 ГПа, модуль сдвига – 530 ГПа, а твердость – от 90 до 120 ГПа.

Однако в последние 25 лет появилось некоторое число публикаций, объявлявших о синтезе новых сверхтвердых материалов (в основном на базе углерода) с твердостью и объемным модулем упругости, превосходящими соответствующие значения алмаза в 2–4 раза.

К примеру, в 1998 году были якобы получены чудовищные значения модуля упругости в 1700 ГПа (в четыре раза больше, чем у алмаза) для наночастиц на основе фуллерита С60. Это значение было получено путем измерения соотношений продольной и поперечной скорости звука в этих частицах методом акустической микроскопии при высоких давлениях и температурах. О возможных причинах ошибки в этих измерениях или их интерпретации говорилось в нескольких статьях. Но суть в том, что в данном случае даже ошибок искать не надо, поскольку полученные результаты просто невозможны по законам природы.

Самое высокое объемное значение модуля упругости алмаза объясняется самой высокой плотностью «упаковки» его электронов (и атомов) среди всех материалов. В свою очередь наибольшая плотность алмаза объясняется положением углерода в периодической таблице в середине первого (заполненного) ряда, а также малым ионным радиусом и наличием четырех валентных электронов.

Все это должно было насторожить исследователей, намеривших огромные величины модулей упругости в новом материале. Тем не менее они сообщили об этих результатах, и они пошли гулять по всей научной и околонаучной прессе как доказательство возможности создания материалов в разы прочнее алмаза на основе новомодного фуллерита.

В 2004 году было опубликовано открытое письмо к коллегам-материаловедам, где авторы напоминали, что алмаз остается и будет оставаться непревзойденным материалом по модулю сдвига в нормальных условиях, и призывали всех исследователей проявлять осторожность в сообщениях о материалах «тверже алмаза». После этого подобных публикаций почти не появлялось лет 5–7.

Формула успеха

Новые сообщения о синтезе материалов с модулями упругости и твердостью в несколько раз большими, чем у алмаза, стали активно появляться в последние 5–10 лет. Более того, некоторые исследователи пытаются предлагать «теоретическое» обоснование новых экспериментальных результатов.

В качестве примера такого обоснования можно привести результаты компьютерного моделирования, когда берется трехмерный полимер на основе фуллерита С60 и помещается в сжатом до давления 200–500 ГПа состоянии в алмазную матрицу. В этом состоянии, мол, достигается электронная плотность большая, чем в алмазе, и композит с такой структурой будет прочнее алмаза. При этом авторам расчета почему-то не приходит в голову простое соображение, что алмазная матрица имеет предел прочности в 100 ГПа и не выдержит давление помещенной в него сжатой структуры фуллерита.

Такая же ситуация сложилась и со сверхтвердыми материалами. Твердость – это качественная, а не количественная характеристика, и зависит не только от свойств материала, но также и от методов измерения и интерпретации результатов. Недаром исторически первым методом оценки твердости был метод сравнительного царапания, или склерометрия. Если один материал оставляет на поверхности другого царапины, то он тверже.

Вот и твердость микрообразцов, полученных при очень больших давлениях, часто оценивается по их способности оставлять или не оставлять царапин на поверхности плоской алмазной наковальни. Способность царапать алмазные наковальни до сих пор рассматривается как «доказательство» экстраординарной твердости новых искусственных материалов на основе фуллерита. Этот вывод совершенно ошибочен: под большой нагрузкой острые грани порошковых частиц царапают плоскую поверхность другого материала, даже если их твердость в 3-5 раз меньше твердости последнего.

Аналогичные казусы возникают и при измерении твердости путем вдавливания инденторов различной формы по методам Роквелла, Виккерса, Бринелля. Результаты зависят от множества параметров: от скорости приложения нагрузки, от качества обработки поверхности, от наличия дефектов в алмазном инденторе и от множества других вещей, поэтому один и тот же метод измерения твердости может дать разницу в десятки, а то и сотни процентов.

Эти методы дают надежные результаты при отработанной методике измерения твердости стандартных образцов обычных материалов, вроде металлов. Но совсем другое дело проводить измерения твердости микрообразцов, твердость которых близка к твердости индентора. Тут возможны самые удивительные результаты. Особенно если есть желание такие результаты получить.

Возникают ситуации, когда проникновение на микроуровне вызывает лишь упругую деформацию, которая полностью исчезает после снятия нагрузки. Это все равно что надавить индентором на резину, зафиксировать после снятия нагрузки полное отсутствие следов проникновения и объявить, что получен сверхтвердый материал, на котором не оставляет следов даже алмазный индентор.

К примеру, китайские ученые недавно отрапортовали о создании наноалмазов с твердостью 300-400 ГПа, как по Виккерсу, так и по Кнупу, и ожидаемой возможностью достичь твердости 600 ГПа, то есть в 6 раз больше, чем у алмаза. В качестве теоретического объяснения своих сенсационных результатов китайские товарищи привлекли квантово-размерный эффект, который затрудняет миграцию электронов, если хотя бы один из геометрических размеров кристалла соизмерим с длиной волны де Бройля электронов.

Однако такой эффект может иметь влияние только в отдельных наночастицах, но не в более массивных нанокристаллах. Впрочем, вскоре выяснилось, что даже в такой оговорке нет нужды, потому что в расчеты теоретиков вкралась до смешного глупая ошибка. В исходных «фундаментальных» формулах об увеличении твердости под влиянием квантово-размерного эффекта есть переменная D – размер кластера. Ее значение в исходной формуле подставлялось в ангстремах. Эта формула была добросовестно переписана китайцами в одной «основополагающей» работе. Из этой работы формула стала гулять по всем остальных китайским статьям о сверхтвердых материалах. Одна проблема: «основоположники» значение D подставляли не в ангстремах, а в нанометрах. Точно так же поступали и их последователи. В результате получались «теоретические» значения на порядок больше, чем они должны были быть хотя бы даже по расчетам, не говоря о правомочности их использования для нанокристаллов.

Вывод, которым авторы статьи предлагают руководствоваться коллегам, таков: близкие к предельно возможным механические свойства алмаза обусловлены надежно установленными законами природы. Соответственно, любые заявления о возможности получения материалов с упругими характеристиками или твердостью в несколько раз более высокими, чем у алмаза, нельзя считать научно достоверными.

Холдинг НИКС – это сеть из более чем 100 магазинов цифровой техники по всей России; это инжиниринговый центр по проектированию высокотехнологичных производств «Проектмашприбор», на 75% принадлежащий компании НИКС и на 25% – Госкорпорации «Ростех»; это нанотехнологическая лаборатория, в стенах которой разработаны и изготовлены сканирующие туннельные микроскопы, исследуется квантовый электронный транспорт в металлических наноструктурах, ведутся работы по квантовым вычислениям; это агропромышленный комплекс «Тюринский» площадью 19 800 га в Тульской области, который по производительности труда сопоставим с немецкими фермерскими хозяйствами.

Читайте также:

Все, что вы хотели знать о квантовых компьютерах, но боялись спросить

В гостях у сказки.

Страшные наноуроки истории

Нанопорошок – это вторая радиация.

В катастрофе на Саяно-Шушенской ГЭС виноват Ньютон, а не Чубайс

О чем молчат учебники физики.