Физики из Университета «МИСиС», Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова и Объединенного института ядерных исследований использовали высокоэнергетичные ионы, чтобы превратить графен в наноалмазы. Стабильный материал, состоящий из двух модификаций углерода, отличается легкостью и гибкостью графена и прочностью алмаза.
Ученые поместили графеновые пленки на сетки, чтобы большая часть материала оказалась подвешенной и не касалась поверхностей. Образцы облучили пучком ионов высокой энергии — заряженных частиц, полученных из благородного газа ксенона, и разогнанных до огромных скоростей.
Схема облучения образцов высокоэнергичными ионами ксенона. Фото: Надежда Небогатикова, Российский научный фонд
При пролете ионов в графеновых слоях появлялись области с «разогретыми» атомами углерода. Резкий локальный нагрев материала привел к возникновению в пленках ударных волн. Высокая температура и ударные волны в свою очередь создали условия для образования в наиболее механически напряженных областях материала наноалмазов — кристаллов с размерами от нескольких до десятков нанометров.
Поскольку диаметр созданных кристаллов примерно в три раза превышал их толщину, авторы отнесли такие структуры к двумерным (2D) алмазам. При этом наблюдение за ними показало, что наноалмазы размером менее двух нанометров были нестабильны и быстро теряли упорядоченную структуру. Образовавшиеся под действием облучения нанокристаллы группировались вместе, и чаще всего располагались на небольшом расстоянии вокруг областей пролета ионов через пленку.
Алмазная группа в графене. Источник: Павел Сорокин, Российский научный фонд
Исследование показало, что алмазные нанообласти в разы повысили жесткость материала по сравнению с исходными пленками. Полученный 2D-материал сочетает преимущества графена и алмаза: он легок и способен проводить ток, но при этом прочен как алмаз.
Физики полагают, что такие композиты найдут широкое применение в любой отрасли, где нужны прочные на разрыв материалы и функциональные покрытия. Например, их можно использовать в космической авиации, автомобильной промышленности и биомедицинских устройствах.
