Российские ученые впервые синтезировали сверхжесткий материал на основе углеродных наноструктур со скандием. Полученный материал состоял из соединённых между собой молекул фуллеренов с атомами скандия и углерода внутри. Результаты исследования могут лечь в основу методов получения новых сверхтвердых материалов, которые в будущем могут найти применение в фотовольтаике и оптических приборах, наноэлектронике, биомедицине и других областях. Исследование было опубликовано в журнале Carbon.
Открытие фуллеренов — соединений, состоящих только из атомов углерода и представляющих собой многогранники с пяти- и шестиугольными гранями наподобие футбольного мяча, почти сорок лет назад стало одним из важнейших научных достижений прошлого века. Одним из уникальных свойств этих молекул является способность заключать внутри своего углеродного каркаса атомы и молекулы других веществ.
Отдельный интерес для исследователей представляют так называемые эндоэдральные фуллерены (фуллерены, внутрь которых помещены молекулы металла) и их полимеры. Полимеры эндоэдральных фуллеренов могут найти применение, в том числе в солнечных батареях и ультражестких материалах.
Ученым НИТУ «МИСиС», Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов, ИФ СО РАН и др. впервые удалось получить эндоэдральные фуллерены с «наполнителем» из скандия в достаточных количествах и исследовать процесс их полимеризации.
После того, как фуллерены со скандием были получены из углеродного конденсата с помощью высокочастотной дуги, они были помещены в ячейки с алмазными наковальнями — устройства, позволяющие проводить эксперименты с точно заданными параметрами давления и температуры, в которых происходила полимеризация. Этот процесс можно упрощенно описать как образование прочных химических связей между отдельными молекулами соединения под давлением.
«Исследование показало, что с атомов скандия происходит перетекание заряда на атомы углерода, что усиливает химическую активность фуллеренов и стимулирует процесс полимеризации. В этом случае материал получается менее жёстким по сравнению с кристаллами полимеризованных фуллеренов без скандия, но в то же время и давление фазового перехода уменьшается, что упрощает экспериментальное получение данной структуры», — поясняет Павел Сорокин, д.ф.-м.н., доцент, ведущий научный сотрудник НИЛ «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС».
Авторы отмечают, что результаты исследования позволяют рассматривать эндоэдральные фуллерены не только как наноструктуры, представляющие фундаментальный интерес, но и как перспективный материал, который может быть востребован в различных областях науки и отраслях промышленности в будущем.
