Расчеты показывают, как наноалмазы (отмечены желтым) могут формироваться из многостенных нанотрубок. (кликните картинку для увеличения)

Группа исследователей из США предложила математическую модель и провела расчет процесса образования наноалмазов из многостенных нанотрубок. Глубокое понимание этого процесса позволит в будущем «выращивать» наноалмазы нужной кофигурации, используя их, например, в качестве деталей микроскопических механизмов.

При обычных условиях графит – наиболее стабильная структурная модификация углерода. Алмаз в этом ракурсе – это скорее исключение из правил, гораздо более интересное человечеству благодаря своим механическим свойствам.

Естественные кубические структуры алмаза образовывались под воздействием огромного давления и при высоких температурах в недрах земли; гексагональные кристаллы алмаза (еще более твердая модификация углерода, открытая в середине 20-го века и имеющая название лонсдейлит) в природе были обнаружены лишь в метеоритном каньоне.

Произвести подобные камни в лабораторных условиях достаточно сложно. Однако, оказывается, что задача упрощается, если речь идет о наномасштабах. Для производства искусственных алмазов с размерами порядка нескольких нанометров существует целый спектр всевозможных техник, включая и совершенно новые, основанные на использовании нанотрубок (цилиндрических структур, представляющих собой гексагональные плоскости, т.е. мономолекулярные слои графита, «свернутые» в трубку). Одна из последних предложенных методик – производство наноалмазов из многослойных углеродных нанотрубок, однако, ее использование ранее во многом напоминало работу алхимиков прошлого: ученые выявили формирование алмазов на эксперименте, но до сих пор был не ясен механизм их образования.

Но благодаря проведенной теоретической работе можно считать, что еще одна научная «высота» взята. В последней работе, опубликованной группой ученых из США в октябрьском номере журнала Physical Review B, подробно объясняется механизм того, как отдельные атомы в многостенных нанотрубках формируют наноалмазы.

Многостенные нанотрубки состоят из нескольких «свернутых» слоев графита. Каждая отдельная трубка, как известно, характеризуется двумя основными параметрами, определяющими, как именно «свернута» гексагональная плоскость: ее кристаллическая структура может быть спиральной, прямой или «зубчатой». Многослойные нанотрубки могут состоять из трубок различных структурных модификаций, что, естественно, было учтено в проведенном исследовании. На первом этапе своей работы ученые использовали отдельные модели для анализа структуры каждой из стенок нанотрубки. Целью было провести классификацию возможных структурных модификаций и определить, какие из них могут привести к формированию необходимых для образования наноалмазов химических связей.

Компьютерные расчеты показали, что атомы смежных стен многостенных нанотрубок могут объединяться друг с другом, формируя кубические и шестигранные структуры наноалмазов. Кроме того, были определены условия, при которых будут сформированы кубические или гексагональные структуры. Согласно выдвинутым предположениям, кристаллические решетки нанотрубок могут быть подобраны даже таким образом, чтобы сформировать тонкий длинный алмазный провод. Так же было отмечено, что для производства наноалмазов требуется источник внешней энергии, которым может стать водородный газ. Работы по поиску оптимальных условий производства наноалмазов продолжаются

Алмазы, имеющие вес в несколько нанокарат, вряд ли когда-нибудь появятся на ювелирных украшениях, однако, благодаря механической твердости и жесткости, многие исследователи считают, что наноалмазы могут стать хорошими компонентами для создания в будущем наномеханизмов. Так же наноалмазы могут иметь широчайшее применение в медицине.