Поразительная прочность: как физики получили сверхтвердое алмазное стекло
Изготовленный из измельченных углеродных «бакиболлов», новый материал обладает высокой теплопроводностью и может найти применение в электронике
Углерод — это универсальный элемент, образующий множество стабильных структур в различных атомных расположениях, 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 намного сложнее прочих.
«Синтез аморфного углеродного материала с трехмерными связями был нашей давней целью», — заявил 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, то получите кристаллическую решетку алмаза. Сам алмаз может показаться логической отправной точкой для изготовления алмазного стекла, но его температура плавления в 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.
Этой формой оказался фуллерен, широко известный как «бакиболлы». Его молекула состоит из 60 атомов углерода, расположенных в форме полого футбольного мяча. Команда нагревала их до тех пор, пока форма шара не превратилась в беспорядочную форму, после чего с помощью пресса и нескольких наковален приложила к материалу высокое давление. Конечным результатом стало алмазоподобное стекло, которое можно было изготавливать кусками миллиметрового размера.
При ближайшем рассмотрении команда обнаружила, что твердость нового стекла составляет около 102 гигапаскалей (ГПа). Это выше, чем у природного алмаза, но не так высоко, как у AM-III — формы стекла, недавно синтезированного в Китае, с твердостью до 113 ГПа.
Команда также утверждает, что новое сверхтвердое стекло имеет самую высокую теплопроводность среди всех аморфных материалов, со значением k 26. Важно отметить, что его можно синтезировать при температурах от 900 до 1000 °C, что вполне достижимо в условиях современных заводов и фабрик.
«Создание стекла с такими превосходными свойствами откроет двери для новых применений», — уверен Фей. «Использование новых материалов из стекла зависит от возможности изготавливать крупные изделия, что в прошлом было сложной задачей. Сравнительно низкая температура, при которой мы смогли синтезировать это новое сверхтвердое алмазное стекло, делает массовое производство более практичным».