Эластичный поверхностный слой наноалмазов позволяет традиционно твёрдому и хрупкому кристаллу изгибаться, а не разрушаться под давлением.
Трехмерное графическое изображение наноалмазов. © Катерина Кон, Shutterstock
Поведение материалов кардинально меняется на предельно малых масштабах. В частности, алмазы — эталон твёрдости и хрупкости — демонстрируют удивительную податливость в наноразмерной форме. После многолетних исследований группа физиков наконец раскрыла механизм, лежащий в основе этого парадокса.
С помощью специально сконструированного электронного микроскопа учёные обнаружили, что у крошечных алмазов химическая связь между поверхностным слоем и кристаллическим ядром относительно слаба. Приложение давления концентрирует механическое напряжение именно в этой промежуточной, или межфазной, области. В результате наноалмаз не раскалывается, а проявляет гибкость, «обеспечивая эластичность, практически недостижимую для объёмного алмаза», — сообщили исследователи в статье, опубликованной в журнале Physical Review X (Shan et al., 2026).
«Этот скрытый механизм может влиять на упругие свойства хрупких материалов и предполагает, что архетипически жёсткий алмаз может обладать регулируемыми на наноуровне механическими характеристиками», — отметили в работе учёные из Университета Чжэнчжоу и Хэнаньской академии наук (Китай).
Ключевое соотношение
Фундаментальной причиной такой упругости является соотношение между количеством атомов на поверхности алмаза и в его ядре. Это соотношение существенно выше у наноалмазов, в то время как у крупных кристаллов доля поверхностных атомов незначительна. Именно это отношение определяет механический отклик алмаза на нагрузку, пояснил в интервью New Scientist Чунсинь Шань, старший автор исследования и материаловед из Университета Чжэнчжоу.
Изображения деформированных наноалмазов, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии (Shan et al., 2026)
У наноалмазов высокое отношение поверхности к ядру приводит к ослабленным связям между поверхностными атомами и внутренним ядром в межфазных областях. В статье подчёркивается, что эта ослабленная зона играет «решающую роль» в упругих свойствах наноалмазов. Под давлением межфазная область служит «буферной зоной», поглощая механическую энергию и предотвращая разрушение как поверхности, так и ядра.
Экспериментальное подтверждение
В ходе исследования учёные провели серию экспериментов, протестировав около 100 различных наноалмазов в изолированных вакуумных условиях. Чтобы минимизировать риск загрязнения на малых масштабах, каждый образец перед испытанием нагревали до 100 °C. Отдельные наноалмазы помещали между двумя алмазными инденторами, а подключённые датчики точно измеряли степень деформации, предшествующей разрушению.
Схематическое изображение экспериментальной установки (Shan et al., 2026)
Команда убедительно доказала, что размер напрямую влияет на упругость: алмаз размером 13 нанометров обладал жёсткостью, сопоставимой с обычными ювелирными алмазами, в то время как меньший кристалл размером 4 нанометра был примерно на 30% более эластичным. На основе этих наблюдений исследователи разработали математическую модель для прогнозирования эластичности алмазов в наномасштабе.
Научная ценность алмазов
Для учёных алмазы ценны не блеском, а исключительной универсальностью. Например, алмазные капсулы используются для хранения топлива в термоядерных реакторах, где мельчайшие дефекты могут критически влиять на ход реакции. Физики также рассматривают алмазы в качестве элементов памяти для квантовых устройств и датчиков. В более прикладных областях алмазы уже являются ключевыми компонентами в высокоточных производственных процессах.
Эта перспектива была отмечена авторами исследования, которые заключили, что их открытие открывает «практические возможности для создания наноразмерных устройств, таких как наномеханические резонаторы, фононные элементы и квантовые датчики на основе алмаза» (Shan et al., 2026). Если выводы исследования получат подтверждение, у инженеров появится возможность проектировать более гибкие и адаптивные компоненты для чувствительных технологий будущего.
