ИССЛЕДОВАНИЕ АНИЗОТРОПИИ ДЕФОРМАЦИИ И ЖЕСТКОСТИ СВЯЗЕЙ ВЫСОКОПЛОТНЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ: АЛМАЗА И Pn-C10
Аннотация
Экспериментальные данные свидетельствуют о возможности получения материалов, превосходящих алмаз по твердости, таких как ультратвердые фуллериты и наноалмазы. Однако эти данные расходятся с теоретическими предсказаниями. Тщательные расчеты не смогли обнаружить структур, демонстрирующих механические свойства, сопоставимые с экспериментально полученными. Возможно, причиной является локальная природа сверхтвердости углерода, связанная с образованием областей с химическими связями повышенной жесткости. Такие области, как ожидается, будут характеризоваться большей плотностью материала. Действительно, существуют экспериментальные данные о получении углеродных фаз с плотностью, превышающей плотность алмаза. Теоретические расчеты подтверждают, что возможно существование более плотных фаз, чем алмаз. Однако их модули упругости не превосходят соответствующие значения для алмаза. При этом модуль упругости не является идеальной характеристикой для материалов с неоднородной жесткостью. Более подходящей характеристикой в таких случаях выступает средняя жесткость связи. В данной работе была исследована связь между объемным модулем упругости и средней жесткостью связи для двух углеродных кристаллов высокой плотности: алмаза и Pn-C10. Нас интересовала причина того, почему Pn-C10, несмотря на большую плотность, демонстрирует более низкие значения модуля упругости. Такая анизотропная деформация Pn-C10 при изотропном сжатии, в отличие от алмаза, проявляется из-за наличия в кристаллической структуре двух различных связей по 1,51 Å (короткие и более “жесткие”) и 1,65 Å (длинные и более “мягкие”). Значительно большей деформации подвергаются более длинные связи, что в конченом итоге ведет к более высокой анизотропии. И, следовательно, более низкому модулю объемной упругости для Pn-C10.
Для цитирования:
Жуков В.В., Сорокин П.Б. Исследование анизотропии деформации и жесткости связей высокоплотных углеродных материалов: алмаза и Pn-C10. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 10. С. 16-21. DOI: 10.6060/ivkkt.20246710.9y.
Литература
Gilman J.J. Why Diamond Is Very Hard. Philos. Mag. A. 2002. 82. P. 1811–1820. DOI: 10.1080/01418610208235692.
Zhukov V.V., Sorokin P.B., Blank V.D. Model of the Intermediate Carbon Phase Based on Interstitial Defects in Graphite. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 12. P. 24–27. DOI: 10.6060/ivkkt.20216412.7y.
Buga S.G., Galkin A.S., Kuznetsov M.S., Kornilov N.V., Luparev N.V., Prikhodko D.D., Tarelkin S.A., Blank V.D. Doublelayer plates from synthetic diamond single-crystals doped with nitrogen for high-temperature n-type schottky diodes. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 11. P. 27–33. DOI: 10.6060/ivkkt.20226511.7y.
Khan Yu.A., Dyachkova T.P., Burakova E.A., Sukhinin A.A., Titov G.A., Degtyarev A.A. Formation of hybrid particles in the interaction of different carbon nanostructures. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 10. P. 59–65. DOI: 10.6060/ivkkt.20236610.6907.
Spiridonova E.A., Morozova V.Yu., Podvyaznikov M.L., Samonin V.V. Effect of fullerene dispersion on the sorption properties of activated carbons modified with fullerenes. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 10. P. 125–131. DOI: 10.6060/ivkkt.20216410.6351.
Bratkov I.V., Ivanov A.D., Kolchin A.D., Savitsky I.A., Smirnov N.N. Investigation of the effect of mechanochemical activation in a shock-reflective mill on the crystal structure of natural graphite. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 4. P. 68–74. DOI: 10.6060/ivkkt.20236604.6795.
Popov M., Mordkovich V., Perfilov S., Kirichenko A., Kulnitskiy B., Perezhogin I., Blank V. Synthesis of Ultra-hard Fullerite with a Catalytic 3D Polymerization Reaction of C60. Carbon. 2014. 76. P. 250–256. DOI: 10.1016/j.carbon.2014.04.075.
Blank V., Buga S., Dubitsky G., Serebryanaya N., Popov M., Prokhorov V. Properties and Applications of Superhard and Ultrahard Fullerites. Perspectives of Fullerene Nanotechnology. 2002. P. 223–233. In: Ōsawa, E. (eds) Perspectives of Fullerene Nanotechnology. Springer, Dordrecht. https:// doi.org/10.1007/ 978-94-010-9598-3_19
Wang L., Liu B., Li H., Yang W., Ding Y., Sinogeikin S.V., Meng Y., Liu Z., Zeng X.C., Mao W.L. Long-Range Ordered Carbon Clusters: A Crystalline Material with Amorphous Building Blocks. Science. 2012. 337. P. 825–828. DOI: 10.1126/science.1220522.
Shang Y., Yao M., Liu Z., Fu R., Yan L., Yang L., Zhang Z., Dong J., Zhai C., Hou X. Enhancement of Short/Medium-Range Order and Thermal Conductivity in Ultrahard sp3 Amorphous Carbon by C70 Precursor. Nat. Commun. 2023. 14. P. 7860. DOI: 10.1038/s41467-023-42195-5.
Dubrovinskaia N., Dubrovinsky L., Crichton W., Langenhorst F., Richter A. Aggregated Diamond Nano-rods, the Densest and Least Compressible Form of Carbon. Appl. Phys. Lett. 2005. 87. P. 083106. DOI: 10.1063/1.2034101.
Irifune T., Kurio A., Sakamoto S., Inoue T., Sumiya H. Ultrahard Polycrystalline Diamond from Graphite. Nat. Commun. 2003. 421, P. 599–600. DOI: 10.1038/421599b.
Tanigaki K., Ogi H., Sumiya H., Kusakabe K., Nakamura N., Hirao M., Ledbetter H. Observation of Higher Stiffness in Nanopolycrystal Diamond than Monocrystal Diamond. Nat. Commun. 2013. 4. P. 2343. DOI: 10.1038/ncomms3343.
Huang Q., Yu D., Xu B., Hu W., Ma Y., Wang Y., Zhao Z., Wen B., He J., Liu Z. Nanotwinned Diamond with Un-precedented Hardness and Stability. Nat. Commun. 2014. 510. P. 250–253. DOI: 10.1038/nature13381.
Blatov V.A., Yang C., Tang D., Zeng Q., Golov A.A., Kabanov A.A. High-Throughput Systematic Topological Generation of Low-Energy Carbon Allotropes. Npj. Comput. Mater. 2021. 7. P. 1–7. DOI: 10.1038/s41524-021-00491-y.
Kvashnina Yu.A., Kvashnin A.G., Popov M.Yu., Kulnitskiy B.A., Perezhogin I.A., Tyukalova E.V., Cher-nozatonskii L.A., Sorokin P.B., Blank V.D. Toward the Ultra-Incompressible Carbon Materials. Computational Simu-lation and Experimental Observation. J. Phys. Chem. Lett. 2015. 6. P. 2147–2152. DOI: 10.1021/acs.jpclett.5b00748.
Kvashnina Y.A., Kvashnin A.G., Chernozatonskii L.A., Sorokin P.B. Fullerite-Based Nanocomposites with Ultrahigh Stiffness. Theoretical Investigation. Carbon. 2017. 115. P. 546–549. DOI: 10.1016/j.carbon.2017.01.028.
Gust W.H. Phase Transition and Shock-Compression Parameters to 120 GPa for Three Types of Graphite and for Amorphous Carbon. Phys. Rev. B. 1980. 22. P. 4744–4756. DOI: 10.1103/PhysRevB.22.4744.
Blank V.D., Churkin V.D., Kulnitskiy B.A., Perezhogin I.A., Kirichenko A.N., Erohin S.V., Sorokin P.B., Popov M.Y. Pressure-Induced Transformation of Graphite and Diamond to Onions. Crystals. 2018. 8. P. 68. DOI: 10.3390/ cryst8020068.
Li S., Zhang J., Wang J., Guan S., Li Y. Dense as Diamond: Pn-C10, a Superhard sp3 Carbon Allotrope. Appl. Phys. Lett. 2021. 118. P. 012107. DOI: 10.1063/5.0032528.
Zhu Q., Oganov A.R., Salvadó M.A., Pertierra P., Lyakhov A.O. Denser than Diamond: Ab Initio Search for Superdense Carbon Allotropes. Phys. Rev. B. 2011. 83. P. 193410(4). DOI: 10.1103/PhysRevB.83.193410.
Huang Y., Wu J., Hwang K.C. Thickness of Graphene and Single-Wall Carbon Nanotubes. Phys. Rev. B. 2006. 74. P. 245413. DOI: 10.1103/PhysRevB.74.245413.
Wang C.Y., Zhang L.C. A Critical Assessment of the Elastic Properties and Effective Wall Thickness of Single-Walled Carbon Nanotubes. Nanotechnology. 2008. 19. P. 075705. DOI: 10.1088/0957-4484/19/7/075705.
Yakobson B.I., Avouris P. Mechanical Properties of Carbon Nanotubes. Carbon Nanotubes. 2001. 80. P. 287–327. DOI: 10.1007/3-540-39947-X_12.
Cai J., Wang C.Y., Yu T., Yu S. Wall Thickness of Single-Walled Carbon Nanotubes and Its Young’s Modulus. Phys. Scr. 2009. 79. P. 025702. DOI: 10.1088/0031-8949/79/02/025702.
Khabibrakhmanov A., Sorokin P. Carbon at the Nanoscale: Ultrastiffness and Unambiguous Definition of Incompressibility. Carbon. 2020. 160. P. 228–235. DOI: 10.1016/j.carbon.2019.12.071.
Li C., Chou T.-W. A Structural Mechanics Approach for the Analysis of Carbon Nanotubes. Int. J. Solids Struct. 2003. 40. P. 2487–2499. DOI: 10.1016/S0020-7683(03)00056-8.
Hohenberg P., Kohn W. Inhomogeneous Electron Gas. Phys. Rev. 1964. 136. P. B864–B871. DOI: 10.1103/PhysRev. 136.B864.
Kohn W., Sham L.J. Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects. Phys. Rev. 1965. 140. P. A1133–A1138. DOI: 10.1103/PhysRev.140.A1133.
Blöchl P.E. Projector Augmented-Wave Method. Phys. Rev. B. 1994. 50. P. 17953–17979. DOI: 10.1103/PhysRevB.50.17953.
Kresse G., Joubert D. From Ultrasoft Pseudopotentials to the Projector Augmented-Wave Method. Phys. Rev. B. 1999. 59. P. 1758–1775. DOI: 10.1103/PhysRevB.59.1758.
Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized Gradient Approximation Made Simple. Phys. Rev. Lett. 1996. 77. P. 3865–3868. DOI: 10.1103/PhysRevLett.77.3865.
Kresse G., Furthmüller J. Efficient Iterative Schemes for Ab Initio Total-Energy Calculations Using a Plane-Wave Basis Set. Phys. Rev. B. 1996. 54. P. 11169–11186. DOI: 10.1103/ PhysRevB.54.11169.
Kresse G., Furthmüller J. Efficiency of Ab-Initio Total Energy Calculations for Metals and Semiconductors Using a Plane-Wave Basis Set. Comput. Mater. Sci. 1996. 6. P. 15–50. DOI: 10.1016/0927-0256(96)00008-0.
Kresse G., Hafner J. Ab Initio Molecular-Dynamics Simula-tion of the Liquid-Metal-Amorphous-Semiconductor Transition in Germanium. Phys. Rev. B. 1994. 49. P. 14251–14269. DOI: 10.1103/PhysRevB.49.14251.
Erohin S.V., Sorokin P.B. Elastic Properties of Nanopoly-crystalline Diamond: The Nature of Ultrahigh Stiffness. Appl. Phys. Lett. 2015. 107. P. 121904. DOI: 10.1063/1.4931493.
