Naukowcy odkrywają, jak sprawić, by szkło było tak twarde, że może nawet zarysować diamenty

Na poziomie atomowym szkło jest bałaganem złożonym z atomów, co sprawia, że ​​łatwo ulega deformacji i pękaniu. Teraz chemicy odkryli, jak rozmieścić atomy wewnątrz szkła w taki sposób, aby powstały materiał mógł konkurować z siłą diamentu.

Zespół naukowców zajmujących się materiałami z Uniwersytetu Yanshan w Chinach odkrył krytyczny stosunek węgla krystalicznego i amorficznego, który jest niezbędny do wytworzenia szkła o niezwykłych właściwościach, które nie słabnie pod wpływem ekstremalnego ciśnienia.

Właściwości mechaniczne materiału często sprowadzają się do sposobu, w jaki jego elementy konstrukcyjne są ze sobą połączone. Słynna twardość diamentu jest określona przez cztery wiązania, które każdy atom węgla tworzy ze swoimi sąsiadami. Chociaż te wiązania tworzą solidny mostek, nie pozostawiają żadnych zapasowych elektronów do przewodzenia prądu, skutecznie czyniąc diament izolatorem.

Bryły szklane nie mają powtarzających się wzorów, przynajmniej w skali ogólnej. Jego ogólna struktura przypomina nieco to, co otrzymuje się, gdy cząsteczki cieczy opadną na swoje miejsce, gdy temperatura spadnie wystarczająco nisko.

Jednak w zależności od składowych składników materiały szklane mogą mieć z bliska zaskakującą strukturę. Jego turbulentny układ pozwala również na uzyskanie szerokiego zakresu właściwości optycznych i mechanicznych, które: Sprawia, że ​​pasuje lepiej dla niektórych technologii.

Szkła na bazie metalu muszą łączyć zalety obu, dając stopień wytrzymałości, której nie mają metale krystaliczne, a jednocześnie przewodząc prąd elektryczny.

Jednak ustalenie, jak może zachowywać się stan szklisty węgla, jest trudne do przewidzenia na podstawie samej teorii.

Naukowcy z Yanshan przeprowadzili więc eksperymenty, miażdżąc kulki atomów węgla zwane „buckyballs” pod ekstremalnym ciśnieniem około 25 gigapaskali (nieco poniżej 250 000 atm), a następnie piec harissę w temperaturach od 1000 do 1200 stopni Celsjusza (około 1800) do 2200 stopni Fahrenheita. ).

Po poddaniu produktów, nazwanych AM-I, II i III szeregowi testów, chemicy zmapowali sposób, w jaki atomy łączą się ze sobą, pokazując, że wszystkie działają jak półprzewodniki na poziomie podobnym do krzemu amorficznego.

Ale to właściwości mechaniczne trzeciego wyniku naprawdę się wyróżniały.

Diamenty są wyjątkowo znane jako jeden z najtwardszych znanych materiałów. Powszechna miara twardości nazywa się Test twardości Vickersa, faktycznie używa diamentowej końcówki do wcięcia materiału. Im wyższa twardość materiału, tym większa wytrzymałość (mierzona w gigapaskalach) wymagana do pozostawienia dużego śladu.

Wydrapanie innego diamentu może wymagać od 60 do 100 GPa, w zależności od tego, czy jest on naturalny, czy starannie wykonany w laboratorium.

Materiał szklany AM-III mierzył gdzieś pomiędzy 110 a 116 GPa w teście twardości Vickersa, co czyni go najtwardszym amorficznym ciałem stałym do tej pory. Przesunięcie paska materiału wzdłuż płaskiej powierzchni naturalnego diamentu pozostawiło wyraźną smugę.

Wyprodukowanie wystarczającej ilości materiałów do powszechnego użytku w operacjach komercyjnych byłoby kosztem, z którego niewielu by w tej chwili zrezygnowało. Z czasem może być wyprodukowana wystarczająca ilość, aby służyć jako zamiennik tranzystorów krzemowych używanych w środowiskach o wysokim ciśnieniu.

Biorąc pod uwagę, jak eksperymentalny jest ten rozwój szkła, można znaleźć więcej poprzez kruszenie i gotowanie innych alotropów węgla, takich jak grafen, w różnych ciśnieniach i temperaturach.

Materiałoznawstwo wkroczyło niedawno w epokę węgla, opracowując nowe i innowacyjne sposoby manipulowania mechanicznymi i elektrycznymi właściwościami atomów węgla o różnym ułożeniu.

Trudno teraz powiedzieć, jak używać AM-III, ale pewnego dnia możesz zostać najlepszym przyjacielem inżyniera elektryka.

To badanie zostało opublikowane w Narodowy Przegląd Naukowy.