p Físicos simularam a estrutura de um novo material à base de fullerita e diamante monocristalino para mostrar como esse material pode obter dureza ultra-alta. Esta descoberta oferece condições potenciais para a obtenção de materiais ultraduros. Os resultados foram publicados em Carbono . p Fullerite é um cristal molecular com moléculas de fulereno em seus nós de rede. O fulereno é uma molécula esférica de átomos de carbono. Foi sintetizado pela primeira vez há mais de 30 anos, e sua descoberta foi premiada com o Prêmio Nobel. As esferas de carbono na fulerita podem ser embaladas de diferentes maneiras, e a dureza do material depende fortemente de como os fulerenos estão conectados uns aos outros. Uma equipe de cientistas russos explicou agora por que a fullerita se torna um material ultraduro.

p Alexander Kvashnin, Candidato de Física e Matemática, o autor principal, disse, "Quando começamos a discutir essa ideia, Eu estava trabalhando na TISNCM. Lá, em 1998, um grupo de cientistas liderado por Vladimir D. Blank obteve um novo material baseado em fulerenos - fulerita ultra-dura, ou 'tisnumit.' De acordo com as medições, este novo material poderia arranhar o diamante - era, na verdade, mais difícil do que diamante. "

p A substância não era um material de cristal único; continha carbono amorfo e moléculas polimerizadas em 3-D de C60. Ainda, sua estrutura cristalina ainda não foi completamente compreendida. A molécula de fulereno tem excelente rigidez mecânica. Ao mesmo tempo, o cristal de fullerita é um material macio em condições normais, mas torna-se mais duro do que o diamante sob pressão (devido à polimerização 3-D). Embora este material tenha sido sintetizado e estudado por mais de 20 anos, a razão pela qual ela se torna ultra-rígida ainda é desconhecida. Vários modelos foram desenvolvidos para explicar como os fulerenos podem ser polimerizados em fulerita.

p Um dos modelos foi proposto pelo Prof. Leonid A. Chernozatonskii. O padrão de difração de raios-X do modelo concorda perfeitamente com os dados experimentais, e deve ter um módulo de bulk volumétrico alto, várias vezes superior ao valor do diamante. Mas a estrutura relaxada do modelo não exibe essas propriedades fascinantes.

p Alexander Kvashnin disse, "Baseamos nossa análise nesse modelo e no fato conhecido experimentalmente de que se você aplicar mais de 10 GPa de pressão ao pó de fulereno e aquecê-lo acima de 1800 K, você obtém um diamante policristalino. A ideia era combinar esses dois fatos. Por um lado, um material de fullerite superduro, e por outro lado, sob pressão, os fulerenos se transformam em um diamante policristalino. "

p Os cientistas sugeriram que sob pressão, parte do fullerite se transformou em diamante, enquanto a outra parte permaneceu como fullerite em um estado comprimido dentro do diamante. Para simplificar o modelo, a estrutura de cristal de fullerita proposta pelo Prof. Chernozatonskii foi colocada dentro de um único diamante de cristal. Os pesquisadores então estudaram esse material composto. A ideia era que a fulerita dentro do diamante deveria ser comprimida. Sabe-se que no estado comprimido, as propriedades elásticas e mecânicas do material aumentam. E o diamante atuaria como uma concha, mantendo o fullerite comprimido dentro para preservar todas essas propriedades. No estudo, eles primeiro analisaram pequenos modelos contendo grão de fullerita de 2,5 nm dentro da casca de diamante de 1 nm de espessura. Contudo, um modelo tão pequeno não estava de acordo com os dados experimentais. Em seguida, os pesquisadores começaram a modelar os compósitos, onde o tamanho da fullerite foi aumentado para 15,8 nm, e a espessura da casca do diamante permaneceu a mesma. As mudanças no espectro de difração de raios X mostraram que o aumento no tamanho da fullerite aproximou o espectro dos dados experimentais. Depois de comparar os espectros, presumiu-se que provavelmente no experimento, eles obtiveram um meio de carbono amorfo com uma fulerita comprimida hidrostaticamente dentro, enquanto o modelo tratava de um diamante com fulerita em seu interior. De acordo com o espectro calculado, o novo modelo se correlacionou muito bem com os dados experimentais.

p "O modelo desenvolvido nos ajudará a entender a natureza de suas propriedades únicas e a sintetizar sistematicamente os novos materiais de carbono ultra-duro, bem como contribuir para o desenvolvimento deste promissor campo da ciência, "disse Pavel Sorokin, chefe do projeto (TISNCM, MISIS, MIPT).

p Fullerite em si não é muito difícil; seu módulo de bulk é 1,5 vezes menor que o do diamante. Mas quando é comprimido, seu módulo de bulk aumenta dramaticamente. Para preservar este módulo de volume aprimorado, o fullerite deve permanecer sempre nesse estado comprimido. Usando os resultados das simulações, os cientistas podem conduzir experimentos direcionados para obter um material ultra-duro.