Алмазы в графене

Углерод может принимать разные аллотропные формы. Среди них хорошо известны алмаз, слоистый графит, графен. Последний представляет собой один (атомная толщина 0,35 нм) или несколько слоев графита. Твердый и прозрачный алмаз в природе встречается в породах магматического происхождения, реже — в метеоритах. Прочный графит рождается в недрах Земли под влиянием высоких температур и давлений. Графен чаще всего получают в лабораториях искусственно. Иногда его добавляют в различные материалы для изменения их свойств.

Ученые из НИТУ «МИСиС», ИФП имени А.В. Ржанова СО РАН и ОИЯИ, руководимые доктором физико-математических наук Павлом Борисовичем Сорокиным, упрочнили графен, вырастив в нем алмазные наноструктуры. Сначала многослойную. графеновую пленку, помещенную на металлическую сетку электронного микроскопа, облучили пучком ионов ксенона с высокой энергией (26–167 МэВ). Под их действием за триллионные доли секунды в графеновых слоях температура местами возрастала до нескольких тысяч градусов. В результате в пленках возникали ударные волны, которые создавали очаги высокого давления. Здесь-то и начинали расти кристаллы алмазов.

Диаметр этих кристаллов составлял от 5 до 20 нанометров и примерно втрое превышал толщину графеновой пленки. Наноалмазы группировались вместе и, как правило, располагались вокруг областей пролета ионов ксенона через пленку. Интересно, что алмазы размером менее 2 нанометров были нестабильны и быстро теряли упорядоченную структуру.

Ученые исследовали механические свойства нового материала и оценили его прочность на разрыв при растягивании и продавливании. Оказалось, что алмазные включения повышают жесткость пленки в несколько раз. Новый материал сочетает преимущества графена и алмаза. Как и первый, он легок и способен проводить электрический ток, но при этом прочен, как второй. Этот эффект ученые ранее предсказали при математическом моделировании двумерного композита.

Композит пригодится там, где нужны стойкие функциональные покрытия, в частности в космической технике, авиации, автомобильной промышленности и биомедицинских устройствах. Исследователи также считают двумерные наноалмазы, которые трудно создать другими методами, перспективным материалом для наноэлектроники. Уже сейчас ясно, что механическими свойствами нового материала легко управлять. Результаты исследования опубликованы в журнале Carbon.