Nové ultratvrdé diamantové sklo syntetizované pomocou uhlíkových buckyballs

Ide o najtvrdšie známe sklo s najvyššou tepelnou vodivosťou zo všetkých sklenených materiálov.

Yingwei Fei a Lin Wang z Carnegie boli súčasťou medzinárodného výskumného tímu, ktorý syntetizoval novú ultratvrdú formu uhlíkového skla s množstvom potenciálnych praktických aplikácií pre zariadenia a elektroniku. Ide o najtvrdšie známe sklo s najvyššou tepelnou vodivosťou zo všetkých sklenených materiálov. ich závery. sú zverejnené v Príroda,

Funkcia nasleduje formu, pokiaľ ide o pochopenie vlastností materiálu. To, ako sú jeho atómy navzájom chemicky viazané, a ich výsledné štruktúrne usporiadanie určuje fyzikálne vlastnosti materiálu – tak tie, ktoré možno pozorovať voľným okom, ako aj tie, ktoré odhalí až vedecký výskum.

Uhlík je bezkonkurenčný vo svojej schopnosti vytvárať stabilné štruktúry – samostatne aj v kombinácii s inými prvkami. Niektoré formy uhlíka sú vysoko usporiadané s opakujúcou sa kryštalickou mriežkou. Iné sú viac neusporiadané, kvalita známa ako amorfná.

Typ väzby, ktorá drží materiál na báze uhlíka pohromade, určuje jeho tuhosť. Napríklad mäkký grafit má dvojrozmerné väzby a tvrdý diamant má trojrozmerné väzby.

„Syntéza amorfného uhlíkového materiálu s trojrozmernými väzbami je dlhodobým cieľom,“ vysvetlil Fei. „Trik je v nájdení správneho východiskového materiálu, ktorý sa má meniť pomocou tlaku.“

Richard Carlson, riaditeľ Carnegie Earth and Planet Laboratory, povedal: „Po desaťročia boli výskumníci z Carnegie v popredí tejto oblasti a používali laboratórne techniky na výrobu nových materiálov, ktoré generujú extrémne tlaky alebo analyzujú podmienky vo vnútri planét. napodobňujú.“

Pre jeho extrémne vysokú teplotu topenia nie je možné použiť diamant ako východiskový bod na syntézu skla, akým je diamant. Výskumný tím vedený Bingbingom Liu z Jilin University a Mingguang Yao – bývalým hosťujúcim učencom Carnegie – však urobil svoj prelom použitím formy uhlíka zloženej zo 60 molekúl usporiadaných tak, aby vytvorili dutú guľu. Tento materiál, ktorý získal Nobelovu cenu, sa neformálne nazýva buckyball, bol dostatočne zahriaty na to, aby zrútil svoju štruktúru podobnú futbalovej lopte, aby vyvolal neporiadok a potom premenil uhlík na kryštalický diamant pod tlakom.

Tím použil veľké množstvo multi-nákovových lisov na syntézu skla podobného diamantu. Sklo je dostatočne veľké na charakterizáciu. Jeho vlastnosti boli potvrdené pomocou rôznych pokročilých techník s vysokým rozlíšením na skúmanie atómovej štruktúry.

„Výroba skla s takto zlepšenými vlastnosťami by otvorila dvere novým aplikáciám,“ vysvetlil Fei. „Používanie nových sklenených materiálov sa spolieha na výrobu veľkých kusov, čo bolo v minulosti výzvou. Pomerne nízke teploty, pri ktorých sme dokázali syntetizovať toto nové ultratvrdé diamantové sklo, umožňujú masovú výrobu ďalej, to je praktické.

Referencia: „Ultrahard Bulk Amorphous Carbon from Demolished Fullerenes“ od Yuchen Shang, Zhaodong Liu, Jiajun Dong, Mingguang Yao, Jenxing Yang, Quanjun Li, Chunguang Zhai, Fangren Shen, Zhuyuan Hou, Lin Wang, Nianqiang, Rhang Wei Zhang „. , Jianfeng Jie, Jingmin Zhang, He Lin, Yingwei Fei, Bertil Sundquist, Weihua Wang a Bingbing Liu, 24. novembra 2021, Príroda,
DOI: 10.1038/s41586-021-03882-9

Táto práca bola finančne podporená Národným programom pre výskum a vývoj v Číne, Národnou nadáciou pre prírodné vedy v Číne a Čínskou nadáciou pre postdoktorandské vedy.