Чисто ново диамантено стъкло, направено с помощта на въглеродни бъкиболи

Изследователите използват бутало с множество наковалня, за да превърнат фулерена C60 в диамантено стъкло, подобно на процеса за превръщане на графит в диамант в устройство с високо налягане. Кредит: Снимка на Yingwei Fei

Това е най-твърдото стъкло, известно с най-високата топлопроводимост сред всички стъклени материали.

Yingwei Fei и Lin Wang от университета Carnegie бяха част от международен изследователски екип, който синтезира нова форма на свръхтвърдо въглеродно стъкло с широк спектър от потенциални практически приложения за устройства и електроника. Това е най-твърдото стъкло, известно с най-високата топлопроводимост сред всички стъклени материали. Техните констатации са публикувани в темпераментна природа.

Функцията следва формата, когато става въпрос за разбиране на свойствата на материята. Начинът, по който атомите му са химически свързани един с друг, и произтичащото от тях структурно подреждане, определя физическите качества на веществото – както тези, които се наблюдават с просто око, така и тези, разкрити само чрез научно изследване.

Въглеродът е несравним със способността си да образува стабилни структури – самостоятелно и в комбинация с други елементи. Някои форми на въглерод са силно структурирани, с повтарящи се кристални решетки. Други са по-неподредени, прилагателно, наречено аморфен.

Видът на връзката, която държи материал на основата на въглерод заедно, определя неговата твърдост. Например, мекият графит има двуизмерни връзки, а твърдият диамант има триизмерни връзки.

„Синтезирането на аморфен въглероден материал с триизмерни връзки е дългосрочна цел“, обясни Фей. „Номерът е да се намери правилният изходен материал за трансформация с приложено налягане.“

„В продължение на десетилетия изследователите на Карнеги са били в челните редици в областта, използвайки лабораторни техники за генериране на екстремно налягане за производство на нови материали или симулиране на условия, открити дълбоко в планетите“, добави директорът на Карнеги Земята и планетарната лаборатория Ричард Карлсън.

Поради изключително високата му точка на топене е невъзможно да се използва диамант като отправна точка за състава на диамантено стъкло. Въпреки това, изследователският екип, ръководен от Bingbing Liu от университета Jilin и Minguang Yao – бивш гостуващ изследовател в университета Карнеги – постигна значителен напредък, използвайки форма на въглерод, съставена от 60 молекули, подредени така, че да образуват куха сфера. Този носител на Нобелова награда материал, неофициално наречен бъкибол, е нагрят достатъчно, за да разбие подобната му на футбол структура, за да предизвика хаос, преди да превърне въглерода в кристален диамант под налягане.

Екипът използва огромна преса с много наковалня, за да направи стъклото, подобно на диамант. Стъклото е достатъчно голямо за характеризиране. Неговите свойства са потвърдени с помощта на различни усъвършенствани техники с висока разделителна способност за изследване на атомната структура.

„Създаването на стъкло с тези превъзходни свойства ще отвори вратата за нови приложения“, обясни Фей. Използването на нови стъклени материали разчита на изработването на големи парчета, което е било предизвикателство в миналото. Относително ниската температура, при която успяхме да произведем това ново ултратвърдо диамантено стъкло, прави масовото производство по-практично. „

Справка: „Ултра-твърд аморфен въглерод от колапсиран фулерен“ от Ючен Шанг, Джаодун Лиу, Джиаджун Донг, Минггуанг Яо, Женсин Ян, Куанджун Ли, Чунгуан Джай, Фангрен Шен, Сююан Хоу, Лин Уанг, Нианцян Джанг, Роунг Джанг Фу, Jianfeng Ji, Xingmin Zhang, He Lin, Yingwei Fei, Bertil Sundqvist, Weihua Wang, Bingbing Liu, 24 ноември 2021 г., темпераментна природа.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03882-9

Тази работа беше финансово подкрепена от Националната програма за ключови изследвания и развитие на Китай, Националната фондация за естествени науки на Китай и Китайската фондация за докторантура.