Він схожий на пористого родича алмазу, має незвичну тривимірну структуру й не потребує екстремального тиску для створення. Шведські дослідники вперше отримали матеріал, який десятиліттями існував лише на папері. Але поки що його вдалося підтвердити лише на мікроскопічних ділянках.
Алмаз і графіт здаються повними протилежностями: перший славиться твердістю та блиском, другий знайомий нам за олівцевими стрижнями. Проте обидва складаються з одного елемента — вуглецю. Відмінність полягає в тому, як саме розташовані його атоми.
Тепер до цього списку додався ще один незвичайний матеріал — діамантин (diamondiyne). Команда Гетеборзького університету у Швеції вперше змогла створити його в тонкій плівці, втіливши давнє теоретичне передбачення в реальність.
Алмаз із порожнинами всередині
Секрет нового матеріалу — у зв’язках між атомами вуглецю. На відміну від звичайного алмазу, структура diamondiyne побудована за участю потрійних зв’язків. Атоми утворюють тетраедри — геометричні фігури з чотирма трикутними гранями, які з’єднуються між собою вершинами в усіх трьох вимірах.
У результаті виникає просторова мережа з порожнинами між її елементами. Керівник дослідження, професор фізичної хімії Карл Бйор’єссон, порівнює її з пористим алмазом.
І є ще одна важлива відмінність: для формування цього матеріалу не потрібен високий тиск, який зазвичай асоціюється зі створенням алмазів.
Втім, поки що не варто уявляти собі готовий дорогоцінний камінь із нової речовини. Дослідники отримали тонку плівку, а впорядковану кристалічну структуру змогли підтвердити лише на окремих крихітних ділянках її поверхні.
Від теоретичної моделі до реального матеріалу
Ідея diamondiyne виникла не вчора: його структуру описали теоретично приблизно 35 років тому. Проте передбачити, як мають розташовуватися атоми, — одне завдання, а змусити їх утворити саме таку структуру в лабораторії — зовсім інше.
Шведська команда працювала над створенням пористих матеріалів, у яких молекули на основі вуглецю з’єднуються без участі іонів металів. Такі матеріали називають ковалентними органічними каркасами, або COF.
Під час цієї роботи дослідники звернули увагу на теоретичні структури вуглецю, які могли б існувати, але ще не були створені. Серед них і був diamondiyne.
Матеріал вдалося сформувати у вигляді тонкої плівки на межі контакту двох рідин. Для підтвердження структури використали електронну мікроскопію в Стокгольмському університеті.
Зображення показали повторювані кристалічні візерунки на ділянках розміром приблизно 10 нанометрів у кожному вимірі. Це лише крихітна область, але її структура добре узгоджується з теоретичними моделями.
Чому не вдалося отримати однорідний матеріал на більшій площі? Під час формування можуть виникати різні дефекти, через які атоми не складаються в потрібний порядок. Саме це залишається однією з головних перешкод для подальшого розвитку технології.
Чому відкриття зацікавило науковців
Довгий час до найвідоміших форм вуглецю належали алмаз, графіт, фулерени, вуглецеві нанотрубки та графен. Останні три матеріали також розширили уявлення про те, які структури може утворювати один і той самий елемент.
Diamondiyne вирізняється тим, що належить до новішої групи штучно створених форм вуглецю й має тривимірну будову. Його пориста архітектура може відкрити цікаві можливості для досліджень — наприклад, учені припускають, що різні структури diamondiyne потенційно можна буде переплітати одна з одною, використовуючи порожнини в їхній будові.
Але це поки що перспектива, а не готова технологія. Дослідникам ще належить з’ясувати механічні, хімічні та інші властивості нового матеріалу, а також навчитися стабільно його виробляти.
Чи змінить diamondiyne наше життя?
Поки що говорити про конкретне застосування зарано. Науковці лише підтвердили, що теоретично передбачена структура може існувати в реальному матеріалі. Наступний крок — докладно дослідити його властивості та визначити, чи матиме він переваги перед уже відомими формами вуглецю.
Та головна інтрига вже є: структура, яку десятиліттями можна було побачити лише в розрахунках і моделях, нарешті з’явилася в лабораторії.
Diamondiyne ще не став новим суперматеріалом — але тепер учені можуть вивчати не лише те, яким він має бути в теорії, а й те, яким він є насправді.