Китайские ученые разработали композитный материал на основе алмаза, который сохраняет его исключительную твердость, но при этом значительно лучше сопротивляется разрушению. Как пишет South China Morning Post, исследование опубликовано в рецензируемом журнале Nature Synthesis.

Алмаз считается самым твердым природным материалом, однако у него есть серьезный недостаток — хрупкость. Сильный удар способен вызвать появление трещины и разрушить кристалл. Ученым из Института физики Китайской академии наук и Пекинского университета авиации и космонавтики удалось решить эту проблему, создав внутри алмаза своеобразный армирующий каркас.

Основой новой структуры стали многостенные углеродные нанотрубки. Они примерно в 10 тыс. раз тоньше человеческого волоса, но при этом значительно прочнее стали. Ранее попытки объединить нанотрубки с металлами и керамикой не давали нужного результата: материалы плохо взаимодействовали друг с другом и не могли эффективно передавать нагрузку.

На этот раз ученые тщательно смешали алмазный порошок с нанотрубками, после чего подвергли полученную смесь температуре около 2000 °C и давлению 15 ГПа. Такие параметры позволили сформировать прочные химические связи между нанотрубками и алмазом, сохранив при этом волокнистую структуру углеродных элементов. В результате внутри материала сформировалась трехмерная сеть, напоминающая арматуру в железобетоне. Нанотрубки соединяют алмазные зерна и помогают распределять нагрузку по всему объему композита.

Испытания показали, что твердость материала составляет около 91,6 ГПа, то есть сопоставима с обычным монокристаллическим алмазом. При этом ударная вязкость достигает 36,4 МПа·м¹/² — примерно в пять-шесть раз больше, чем у типичных вольфрамовых сплавов. Микроскопические наблюдения показали, что при появлении трещины нанотрубки меняют направление ее распространения. Они словно множество прочных канатов удерживают поврежденную область, поглощают энергию и не позволяют трещине быстро пройти через весь материал.

Ученые считают, что новая технология может найти применение в производстве сверхтвердых режущих инструментов, буровых установок, оборудования для обработки металлов и керамики, а также в аэрокосмической отрасли. Работы проводятся при поддержке национального научно-исследовательского центра в пекинском научном городе Хуайжоу, где материалы испытывают в экстремальных условиях.