@ 2021.08.15 , 19:13

燕山大学:强度堪比钻石的超硬玻璃

在原子层面上,玻璃是杂乱无章的,这使得它们容易变形和开裂。现在,化学家们发现了如何重新排布玻璃中的原子——所产生的材料甚至可以与钻石相媲美。

来自中国燕山大学的材料科学家团队发现了创造具有显著特性的玻璃所需的结晶和非结晶碳的关键比例。这种玻璃可以承受强大的压力。

一种材料的机械性能往往归结于其构建模块连接在一起的方式。钻石,由于它的每一个碳原子与相邻的碳原子都有四个共价键。这些键构成了坚实的桥梁,但也没有留下富裕的电子来携带电流,这就使钻石成为了绝缘体。

玻璃质固体没有重复的模式,至少通常如此。它们的整体结构,或多或少可以这么理解:当温度降到足够低的时候,液体里杂乱的颗粒全部原地立定。

然而,根据组分的不同,玻璃质材料可以有令人惊讶的近距结构程度。它们的无序排列也允许其有广泛的光学和机械性能,使它们更适合于某些技术。

以金属为基础的玻璃应结合两者的优势,提供结晶金属所没有的强度,同时仍具有导电性。

然而,玻璃的性态,仅凭理论是很难预测的。

因此,燕山大学的研究人员进行了实验,在大约25千兆帕(略低于25万个大气压)的高压下压扁被称为 "buckyballs" 的碳原子球体,然后在1000至1200摄氏度的温度下烘烤这种混合物。

随后,测试这些编号为AM-I、II和III的产品,化学家们绘制出原子相互结合的方式,显示它们成了半导体,其水平可与非晶硅相媲美。

但真正引人注目的是AM-III的机械性能。

钻石是最硬的已知物质之一。一种常见的硬度测量方法,称为维氏硬度测试,实际上就是使用钻石尖端来压入材料。材料越硬,留下一个相当痕迹所需的力(以千兆帕为单位)就越大。

划另一个钻石可能需要60到100千兆帕的力。

玻璃质材料AM-III在维氏硬度测试中的测量值在110至116千兆帕之间,使其成为迄今为止最硬的非晶态固体。将这种物质沿着天然钻石的平坦表面划过,会留下一条清晰的线。

随着时间的推移,或许我们能想出提高高硬度玻璃产能的方法,然后用它们替代高压环境下使用的硅晶体管。

鉴于这种玻璃的研发更侧重于实验性,在一系列压力和温度下压制和“烹调"其他碳同位素,如石墨烯,可能会有更多的发现。

材料科学最近已经进入了碳时代,科学家正想出巧妙的新方法,将排列方式不同的碳原子材料,所具有的机械和电气特性用于工业和科研。

我们将如何使用AM-III,现在还很难说,但有一天它可能成为电气工程师最好的朋友。

这项研究发表在《国家科学评论》上。

https://www.sciencealert.com/this-record-new-type-of-glass-is-so-hard-it-can-even-scratch-diamond


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