СИНТЕЗ ФАЗ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ФУЛЛЕРИТА С60
Аннотация
Исследования структуры и свойств фаз фуллерита C60, включая ультратвердую, продолжают оставаться актуальными. Такой интерес связан с необходимостью получения крупноразмерных образцов, пригодных не только для всесторонних исследований, но и для ожидаемых практических приложений. Сложность синтеза таких материалов стимулирует поиск новых подходов в области материаловедения наноструктурированных углеродных материалов и технологий их получения. В статье описаны исследования изменений структуры фуллерита С60 под высоким давлением при комнатной температуре методами СВЧ акустики, комбинационного рассеяния света (КРС) и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ПЭМ-ВР). Для достижения давлений до 25 ГПа использовалась камера высокого давления на алмазных наковальнях со встроенным СВЧ резонатором на продольной объемной акустической волне (ОАВ-резонатор). Спектры КРС напряженной вершины алмазной наковальни и фуллерита были использованы для определения как величины давления, так и характеристик фазы фуллерита, соответственно. Получена зависимость относительного сдвига частоты контрольного обертона ОАВ-резонатора с частотой f = 1,3746 ГГц от давления Δf/f(Р). Особенности кривой Δf/f(Р) связаны со структурными изменениями в фуллерите, в частности, с переходами фуллерита из первой во вторую и из третьей в четвертую фазы. При давлении выше 18 ГПа обнаружена частичная трансформация в аморфную ультратвердую фазу V, в которой фуллерит обладает твердостью выше, чем у алмаза. Результаты КРС, ПЭМ-ВР и СВЧ акустики подтверждают стабильность фазы V при комнатной температуре. Полученные результаты могут быть использованы, при соответствующем масштабировании, для разработки технологии синтеза фуллерита в ультратвердой фазе V в более простых термодинамических условиях.
Для цитирования:
Сорокин Б.П., Яшин Д.В., Овсянников Д.А., Попов М.Ю., Кульницкий Б.А., Асафьев Н.О., Бланк В.Д. Синтез фаз высокого давления при комнатной температуре, структура и свойства фуллерита С60. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 9. С. 66-74. DOI: 10.6060/ivkkt.20256809.10y.
Литература
Sundqvist B. Carbon under pressure. Phys. Rep. 2021. V. 909. P. 1-73. DOI: 10.1016/j.physrep.2020.12.007.
Moret R. Structures, phase transitions and orientational properties of the C60 monomer and polymers. Acta Crystallogr. Sect. A: Found. Crystallogr. 2005. V. 61. P. 62-76. DOI: 10.1016/j.carbon.2014.10.083.
Pei C., Wang L. Recent progress on high-pressure and high-temperature studies of fullerenes and related materials. Matter Radiat. Extremes. 2019. V. 4. P.028201. DOI: 10.1063/1.5086310.
Alvarez-Murga M., Hodeau J.L. Structural phase transitions of C60 under high-pressure and high-temperature. Carbon. 2015. V. 82. P. 381-707. DOI: 10.1016/j.carbon.2014.10.083.
Yagafarov O.F., Gromnitskaya E.L., Lyapin A.G., Brazhkin V.V. Elastic properties of fullerites C60 and C70 under pressure. J. Phys.: Conf. Ser. 2010. V. 215. P. 012054. DOI: 10.1088/1742-6596/215/1/012054.
Li J., Dunstan D., Lou X., Planes A., Mañosa L., Barrio M. Tamarit J.-L., Lloveras P. Reversible barocaloric ef-fects over a large temperature span in fullerite C60. J. Mater. Chem. A. 2020. V. 8. P. 20354-20362. DOI: 10.1039/D0TA05399F.
Davydov V.A., Kashevarova L.S., Rakhmanina A.V., Agafonov V., Allouchi H., Céolin R., Dzyabchenko A.V., Senyavin V.M., Szwarc H., Tanaka T., Komatsu K. Particularities of C60 Transformations at 1.5 GPa. J. Phys. Chem. B. 1999. V. 103. N 11. P. 1800-1804. DOI: 10.1021/jp982285w.
Sundqvist B. Mapping intermolecular bonding in C60. Sci Rep. 2014. V. 4. P. 6171. DOI: 10.1038/srep06171.
Hu J.Y., Liang S.C., Piao G.Z., Zhang S.J., Zhang Q.H. Yang Y., Zhao Q., Zhu K., Liu Y.L., Tang L.Y., Li Y.C., Liu J., Jin C.Q., Yu R.C. Amorphization of C60 nanotubes under pressure. J. Appl. Phys. 2011. V. 110. P. 014301. DOI: 10.1063/1.3601740.
Yang J., Liu C.-L., Gao C.-X. In situ electrical resistance and activation energy of solid C60 under high pressure. Chin. Phys. B. 2013. V. 22. N 9. P. 096202. DOI: 10.1088/1674-1056/22/9/096202.
Meletov K.P., Kourouklis G.A. Pressure and temperature induced transformations in crystalline polymers of C60. J. Exp. Theor. Phys. 2012. V. 115. P. 706-722. DOI: 10.1134/S1063776112080122.
Blank V., Popov M., Buga S., Davydov V., Agafonov V., Ceolin R., Szwarc H., Rassat A. Is C60 fullerite harder than diamond? Phys. Lett. A. 1994. V. 188. N 3. P. 281-286. DOI: 10.1016/0375-9601(94)90451-0.
Khorobrykh F.S., Churkin V.D., Popov M.Yu. Features of dependence of Raman spectra of cluster structures of three-dimensionally polymerized fullerite on pressure. Phys. Solid State. 2022. V. 64. N 2. P. 223-227. DOI: 10.21883/PSS.2022.02.52970.207.
Khorobrykh F., Klimin S., Kulnitskiy B., Jalolov F. N., Kvashnin A., Eliseev A., Kirichenko A., Prenas V., Denisov V., Mel’nik N., Sorokin P., Popov M. Cluster structure of ultrahard fullerite revealed by Raman spectroscopy. Carbon. 2023. V. 214. P. 118314. DOI: 10.1016/j.carbon.2023.118314.
Popov M., Mordkovich V., Perfilov S., Kirichenko A., Kulnitskiy B., Perezhogin I., Blank V. Synthesis of ul-trahard fullerite with a catalytic 3D polymerization reac-tion of C60. Carbon. 2014. V. 76. P. 250-256. DOI: 10.1016/j.carbon.2014.04.075.
Popov M., Alekseev M., Kirichenko A., Kulnitskiy B., Perezhogin I., Tyukalova E., Blank V. A catalytic de-polymerization of ultrahard fullerite. J. Mater. Res. 2015. V. 30. P. 1772–1778. DOI: 10.1557/jmr.2015.118.
Shang Y., Liu Z., Dong J., Yao M., Yang Z., Li Q., Zhai C., Shen F., Hou X., Wang L., Zhang N., Zhang W., Fu R., Ji J., Zhang X., Lin H., Fei Y., B. Sundqvist, Wang W., Liu B. Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerene. Nature. 2021. V. 599. P. 599- 604. DOI: 10.1038/s41586-021-03882-9.
Shang Y., Yao M., Liu Z., Fu R., Yan L., Yang L., Zhang Z., Dong J., Zhai C., Hou X., Fei L., Zhang G.J., Ji J., Zhu J., Lin H., Sundqvist B., Liu B. Enhancement of short/mediumrange order and thermal conductivity in ultrahard sp3 amorphous carbon by C70 precursor. Nature Commun. 2023. V. 14. P. 7860. DOI: 10.1038/s41467-023-42195-5.
Khorobrykh F., Kulnitskiy B., Klimin S., Popov M. The effect of kinetic and photoinduced processes at high pressure on cluster structure of ultrahard fullerite. Diam. Relat. Mater. 2024. V. 147. P. 111380. DOI: 10.1016/j.diamond.2024.111380.
Khorobrykh F.S., Churkin V.D., Kulnitskiy B.A., Popov M.Yu. Effect of the laser radiation exposure on me-chanical properties of 3D C60. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 12. P 71-75. DOI: 10.6060/ivkkt.20216412.9y.
Larionova N.S, Nikonova R.M., Ladyanov V.I. Struc-ture of fullerite in mechanocomposites of iron-fullerite. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 11. P. 19-24. DOI: 10.6060/ivkkt.20186111.12y.
Sorokin B.P., Asafiev N.O., Ovsyannikov D.A., Kvashnin G.M., Popov M.Yu., Luparev N.V., Golovanov A.V., Aksenenkov V.V., Blank V.D. Method of micro-wave acoustic research of materials under the high pressure. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 11. P. 49-58. DOI: 10.6060/ivkkt.20226511.4y.
Sorokin B.P., Asafiev N.O., Ovsyannikov D.A., Kvash-nin G.M., Popov M.Y., Luparev N.V., Golovanov A.V., Blank V.D. Microwave acoustic studies of materials in diamond anvil cell under high pressure. Appl. Phys. Lett. 2022. V. 121. P. 194102. DOI: 10.1063/5.0129651.
Sorokin B.P., Asafiev N.O., Ovsyannikov D.A., Popov M.Yu., Yashin D.V., Luparev N.V., Blank V.D. Diamond-based HBAR as a high-pressure sensor. Ultrasonics. 2024. V. 142. N 107380. DOI: 10.1016/j.ultras.2024.107380.
