Китайские учёные сжали сотню наноалмазов в вакууме и выяснили, почему крошечные кристаллы теряют жёсткость

Китайские физики выяснили, почему алмазы при уменьшении до размеров в единицы нанометров — миллионных долей миллиметра — утрачивают привычную жёсткость и легче поддаются сжатию. Эксперимент с наноалмазами диаметром от 4 до 12 нм, то есть в сотни раз мельче некоторых вирусов, показал, что сопротивление кристаллов сжатию падает примерно на 30 % по мере уменьшения размера, а причина кроется в атомном строении их поверхности.

«Алмазы привычного размера хорошо известны своей экстремальной жёсткостью и твёрдостью. В наномасштабе всё может быть иначе», — говорит руководитель исследования Чунсинь Шань (Chongxin Shan) из Чжэнчжоуского университета. Его группа зажимала каждый кристалл между двумя цилиндрами с алмазными наконечниками, подключёнными к датчику силы и специальному микроскопу. Поскольку любое воздействие окружающей среды вносит помехи в данные, эксперимент повторили примерно со 100 различными алмазами в условиях вакуума.

Объединив экспериментальные данные с компьютерным моделированием, учёные нашли объяснение. Чем меньше кристалл, тем большая доля его атомов приходится на наружную оболочку, а не на сердцевину. Связи между оболочкой и сердцевиной у наноалмазов оказались слабыми, поэтому маленький кристалл легче поддаётся сжатию. В крупных алмазах почти все атомы сосредоточены в сердцевине, где связи прочны, и именно они определяют поведение всего камня.

Лу Ян (Yang Lu) из Городского университета Гонконга, чья группа провела одни из первых работ по механике наноалмазов, отмечает, что в новом эксперименте удалось изучить алмазы в десять раз мельче тех, что исследовались прежде. Крошечные алмазы становятся всё более востребованным материалом для новой электроники и квантовых устройств — приборов для сверхбыстрых вычислений и защищённой связи. По словам учёного искусственные алмазы сегодня стали чрезвычайно дешёвыми, так что пора находить им всё новые применения.