Нанотехнологии

Каждые несколько лет появляется новость про материал, который «прочнее алмаза». Чаще всего речь о карбине. И здесь важно сразу честно расставить акценты: карбин действительно превосходит алмаз и графен по расчётам, но это пока теоретическое предсказание, а не результат лабораторного измерения. Разберёмся, что это за вещество, откуда взялась сенсация и можно ли вообще держать карбин в руках.

Что такое карбин: одномерная цепочка из атомов углерода

Углерод умеет собираться в очень разные структуры. Из него состоят и мягкий грифель карандаша, и твёрдый алмаз — разница только в том, как атомы соединены друг с другом. Карбин — это одномерный аллотроп углерода, то есть просто длинная линейная цепочка атомов, вытянутая в одну линию.

Связи внутри этой цепочки бывают двух типов: либо чередование тройных и одинарных связей (такую форму называют полиином), либо одинаковые двойные связи подряд (кумулен). Если графен — это двумерный лист толщиной в один атом, алмаз и графит — трёхмерные структуры, а фуллерены условно нульмерные шарики, то карбин занимает нишу «одномерного» углерода — нить толщиной в один атом.

Идея не новая. Ещё в 1885 году немецкий химик Адольф фон Байер описал такую цепочку и заодно предсказал, что выделить её в чистом виде не получится: вещество слишком охотно вступает в реакции и разрушается. Это предупреждение, как мы увидим, оказалось пугающе точным.

Откуда взялась сенсация «прочнее алмаза»: Университет Райса, 2013

Громкие заголовки про «самый прочный материал в мире» выросли из одной конкретной работы. В 2013 году команда Университета Райса под руководством Бориса Якобсона рассчитала свойства карбина с нуля — методом первопринципного моделирования (first-principles, то есть из базовых законов физики, без подгонки под эксперимент). Расчёты вели аспирант Минцзе Лю и постдок Василий Артюхов.

Статья с говорящим названием «Carbyne from First Principles: Chain of C Atoms, a Nanorod or a Nanorope» вышла 9 октября 2013 года в журнале ACS Nano. Именно отсюда пошла волна публикаций о суперматериале.

И вот ключевой нюанс, который теряется в пересказах. Это вычислительное предсказание, а не измерение. Учёные посчитали, какими свойствами обладала бы идеальная цепочка карбина, если бы её удалось получить и удержать. Разница примерно как между расчётной максимальной скоростью автомобиля на бумаге и реальным заездом — цифры впечатляют, но проверять их в железе ещё предстоит.

Свойства карбина: цифры и сравнение с алмазом и графеном

Теперь к самим числам — они и правда рекордные. По расчётам Райса:

• прочность на разрыв вдвое выше, чем у графена;
• жёсткость на растяжение вдвое выше графена и углеродных нанотрубок и почти втрое выше, чем у алмаза;
• удельная прочность достигает 7,5×10⁷ Н·м/кг — это больше, чем у любого известного материала;
• чтобы разорвать одну атомную цепочку, нужна сила около 10 наноньютонов;
• расчётный модуль Юнга (мера жёсткости) — порядка десятков ТПа, в публикациях фигурирует величина около 32,7 ТПа.

Удельная прочность — это прочность с поправкой на массу: насколько материал крепкий относительно своего веса. Поэтому корректнее говорить не «карбин просто прочнее всего», а «карбин даёт лучшее сочетание прочности и лёгкости из всех, что мы знаем». Если вас вообще интересует, какой материал самый прочный на практике, то ответ зависит именно от того, что мерить — абсолютную прочность или удельную.

Интересно, что механикой дело не ограничивается. Растяжение всего на 10% заметно меняет электронную запрещённую зону карбина, а при скручивании цепочки на 90° он превращается в магнитный полупроводник. Плюс у него огромная удельная площадь поверхности — примерно в пять раз больше, чем у графена. Для химии и сенсоров это иногда важнее голой прочности. Кстати, у обычного графена в машинах прикладные применения уже появляются — карбину до этого пока далеко.

Можно ли вообще получить карбин: рекорд длины цепочек, Вена, 2016

Здесь и кроется главная проблема. Свободный карбин крайне реакционноспособен: цепочки почти мгновенно сцепляются друг с другом и разрушаются. Именно поэтому осторожное предсказание фон Байера остаётся в силе — как объёмный стабильный материал в свободном виде карбин так и не получен.

Прорыв в стабилизации произошёл иначе — цепочку решили спрятать. В 2016 году группа Томаса Пихлера из Венского университета вместе с командой Анхеля Рубио вырастила цепочки длиной более 6400 атомов углерода внутри двустенных углеродных нанотрубок — нанотрубка работала как защитный «нанореактор». Для сравнения: предыдущий рекорд 2010 года составлял всего 44 атома.

Эта работа вышла в Nature Materials под названием «Confined linear carbon chains as a route to bulk carbyne». То есть лучшее, что умеет наука сегодня, — это длинные нити карбина, заключённые в углеродную оболочку, а не свободный материал, из которого можно что-то сделать. Любопытно, что сами углеродные нанотрубки уже доросли до рабочих прототипов электроники, тогда как карбин внутри них пока остаётся объектом изучения.

Зачем карбин нужен и где он может пригодиться

Раз материала в чистом виде нет, разговоры о применении — это пока про потенциал, а не про готовые устройства. Но направления понятны и логично следуют из свойств. Сверхвысокая удельная прочность интересна для наномеханики: покрытий, композитов, усиления нанотрубок. Чувствительность электронных свойств к растяжению и скручиванию делает карбин кандидатом в наносенсоры и переключаемые элементы — те самые места, где малейшая деформация должна давать измеримый электрический отклик.

Есть и более широкий контекст. Углерод всё чаще рассматривают как замену кремнию в будущей электронике — об этом говорит, например, идея заменить кремний углеродом в компьютерах. Карбин в этой логике — крайний случай миниатюризации: проводник толщиной буквально в один атом.

Если вы планируете отличать реальные новости о карбине от рекламных, держите простой фильтр: смотрите, измерены свойства или рассчитаны, и удалось ли удержать материал вне нанотрубки. Пока ответ на второй вопрос «нет», любой заголовок про «материал прочнее алмаза уже здесь» стоит читать как «по расчётам — да, на практике — ещё нет». Именно эта граница между предсказанием и экспериментом и есть самое интересное место всей истории карбина: следующий настоящий прорыв случится в день, когда расчёты Райса наконец проверят на свободной цепочке.