Кристалл, который может сокрушить алмаз: в поисках самого твердого материала.

В центре нашей планеты породы весом в миллиарды тонн создают силу, которая в три миллиона раз превышает атмосферное давление на поверхности. Тем не менее на столешнице своей скромной лаборатории на севере Баварии физик Наталья дубровинская может превысить даже это сумасшедшее давление в несколько раз, благодаря устройству, которое умещается у нее в руке.

Несколько точных поворотов винтов в верхней части небольшого цилиндра - и она может создать давление, в три раза превышающее давление в ядре земли. Удивительно, но вместе с коллегами из университета байройт она обнаружила удивительный материал, способный выдерживать эту феноменальную силу. Он настолько твердый, что может оставить вмятину в кристалле алмаза, который долгое время считался самым твердым материалом в мире.
Ее новое вещество - это кульминация десятилетних поисков современных алхимиков, ученых, которые химичили и возились с химической структурой веществ, пытаясь подстроить и изменить их свойства нужным образом. Это путешествие, в котором было много фальстартов и тупиков. Но последние достижения ученых могут иметь широкие последствия, от прорывов в медицине до изменения нашего понимания далеких миров.
Вряд ли вас удивит, что поиск сверхтвердого материала начинается с попытки повторить структуру алмаза, но, по правде говоря, существует не так много элементов, способных связываться между собой таким же образом.
Один из таких материалов - нитрид бора. Подобно углероду, этот синтетический материал бывает в нескольких формах, но можно повторить структуру алмаза, заменив атомы углерода атомами азота и бора. Впервые созданный в 1957 году "Кубический Нитрид Бора" был достаточно твердым, чтобы оцарапать алмаз - как заявляли изначально. Но более поздние тесты показали, что этот материал даже и в половину не такой же твердый, как его аналог на основе углерода.
Следующие несколько десятилетий породили ряд разочарований, когда ученые начали искать способы связать три этих элемента - азот, бор и углерод - в разных формах. Из тонких пленок одного из таких материалов, что были созданы в 1972 году, смогли создать форму, имитирующую структуру алмаза; но из недостатков было то, что процесс включал сложную химию и чрезвычайно высокие температуры для производства. И только в 2001 году алмазоподобный нитрид бора был создан учеными национальной академии наук Украины в Киеве совместно с коллегами из Франции и Германии. И хотя этот новообнаруженный материал был тверже кристаллов кубического нитрида бора, он все еще проигрывал алмазу.
Затем, семь лет назад, чангфенг Чен, физик из университета штата невада, и его коллеги из шанхайского университета цзяо тун в Китае решили, что смогут свергнуть алмаз с пьедестала. Они рассчитали, что причудливая шестиугольная форма нитрида бора, известная как вюрцит нитрида бора, сможет выдержать на 18% больше давления, чем алмаз. Этот редкий материал имеет подобную алмазу и кубическому нитриду бора четырехгранную структуру, только связи сформированы под разными углами. Компьютерное моделирование поведения такого материала под давлением показало, что некоторые из этих связей являются гибкими и переориентируют себя на 90 градусов, оказываясь в условиях напряжения, чтобы его снять.
Хотя связи алмаза аналогичным образом реагируют на давление, вюрцит нитрида бора становится на 80% тверже при более высоком давлении. Загвоздка в том, что его довольно опасно создавать - для этого придется искусственно создать взрывы, которые имитируют условия высокого тепла и давления вулканических взрывов. Очевидно, получить их в достаточных объемах будет весьма трудно. Аналогичные проблемы ограничивают потенциал исследований похожего вещества, известного как лонсдейлит, которое должно быть в состоянии выдерживать на 58% больше давления, чем обычные кристаллы алмаза.