Диаграмма давления аллотропных модификаций углерода

Если углерод в виде нескольких слоев графена обработать водородом, он способен превращаться в диаман — сверхтонкую алмазную пленку. Открытие, которые совершила российско-американская группа физиков под руководством Павла Сорокина из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов, опубликовано в двух статьях в Nano Letters и Physical Chemistry Letters, кратко о результатах работы физик рассказал в письме «Ленте.ру»

Метод создания диамана удалось обнаружить с помощью компьютерного моделирования ab initio, то есть расчета поведения атомов из первых принципов, без грубых упрощений. Такое моделирование позволяет получить данные, очень близкие к экспериментальным. Кроме того, оно позволяет проследить, как развивается переход одной формы вещества в другую на атомарном уровне. 

В общих чертах процесс выглядит так: присоединение водорода к атомам внешних слоев графена приводит к изменению их типа гибридизации с плоской (sp2) на тетраэдрическую (sp3). У внешних атомов углерода появляются неспаренные электроны, которые стремятся образовать связи с атомами других слоев. Начавшись в одном месте, процесс развивается по принципу домино, пока весь лист многослойного графена не превратится в диаман, то есть в тонкий, «квазиплоский» алмаз.

Такие плоские алмазные листы можно использовать в качестве диэлектрика для наноразмерных конденсаторов. Кроме того, как показано в статье Physical Chemistry Letters, аналог диамана для гексагонального алмаза (лонсдейлита) обладает исключительной механической прочностью, уступающей только графену.

По словам Сорокина, ранее ученые уже наблюдали в экспериментах образование связей между слоями графена под действием адсорбции атомов. До сих пор, однако, физика этого процесса была не ясна, равно как и условия, которые требуются этого «химически индуцированного фазового перехода».

Двумерные и квазидвумерные вещества стали популярным объектом исследования физиков после открытия Андреем Геймом и Константином Новоселовым графеном. Ключевой особенностью графена является уникальная подвижность элеткронов. Однако, в отличие от кремния графен не может сам по себе использоваться при создании транзисторов, так как является металлом, а не полупроводником. Для исправления этого недостатка ученые предлагают либо помещать графен на специальные подложки, либо использовать другие двумерные вещества. Среди последних конкурентов графена — квазиплоский pmmn-бор, электронные свойства которого очень похожи на графен.