Исследователи из Института Карнеги разработали сверхтвердое алмазное стекло. Изготовленный полностью из раздавленных «футбольных мячей» из углерода, новый материал также обладает высокой теплопроводностью и может найти применение в электронике.
Углерод - это универсальный элемент, образующий множество стабильных структур с различным атомным расположением, от графена до алмаза. Они могут быть повторяющимися кристаллическими узорами или аморфными, как стекло, а сами атомные связи могут образовываться в двух или трех измерениях, что определяет твердость материала. Однако некоторые формы, такие как алмазное стекло, изготовить сложнее, чем другие.
«Синтез аморфного углеродного материала с трехмерными связями был давней целью», - говорит Инвэй Фэй, автор нового исследования. «Уловка состоит в том, чтобы найти правильный исходный материал, который можно преобразовать под давлением».
Если, например, вы приложите давление к графиту, вы получите кристаллическое расположение алмаза. Сам алмаз может показаться логической отправной точкой для производства алмазного стекла, но его температура плавления 4227°C слишком высока для практического использования. Команде нужно было найти форму углерода, которая могла бы стать достаточно неупорядоченной в атомном отношении, прежде чем подвергнуться давлению.
Они нашли свою цель в фуллерене, широко известном как бакибол, который состоит из 60 атомов углерода (С60), расположенных в форме полого футбольного мяча. Команда нагревала бакиболы до тех пор, пока форма шара не превратилась в беспорядочную форму, затем было приложено высокое давление с помощью пресса с несколькими наковальнями. Конечным результатом стало алмазоподобное стекло, которое можно было изготавливать кусками миллиметрового размера.
Схема, показывающая, как изготавливается новое сверхтвердое алмазное стекло. Фото: Yingwei Fei
При ближайшем рассмотрении команда обнаружила, что твердость нового стекла составляет около 102 ГПа (гигапаскалей). Это выше, чем у природного алмаза, но меньше чем у AM-III , формы стекла, недавно синтезированной в Китае, с твердостью до 113 ГПа.
Команда также утверждает, что новое сверхтвердое стекло имеет самую высокую теплопроводность из всех аморфных материалов, со значением k, равным 26. Важно отметить, что его можно синтезировать при температурах от 900 до 1000°C, что находится в пределах досягаемости промышленного производства.
«Создание стекла с такими превосходными свойствами откроет двери для новых применений», - говорит Фей. «Использование новых материалов из стекла зависит от изготовления больших кусков, что в прошлом было проблемой. Сравнительно низкая температура, при которой мы смогли синтезировать это новое сверхтвердое алмазное стекло, делает массовое производство более практичным».
Исследование было опубликовано в журнале Nature.
Источник: Carnegie Science