在原子層面上,玻璃是雜亂無章的,這使得它們容易變形和開裂。現在,化學家們發現瞭如何重新排布玻璃中的原子——所產生的材料甚至可以與鑽石相媲美。
來自中國燕山大學的材料科學家團隊發現了創造具有顯著特性的玻璃所需的結晶和非結晶碳的關鍵比例。這種玻璃可以承受強大的壓力。
一種材料的機械性能往往歸結於其構建模塊連接在一起的方式。鑽石,由於它的每一個碳原子與相鄰的碳原子都有四個共價鍵。這些鍵構成了堅實的橋樑,但也沒有留下富裕的電子來攜帶電流,這就使鑽石成為了絕緣體。
玻璃質固體沒有重複的模式,至少通常如此。它們的整體結構,或多或少可以這麼理解:當溫度降到足夠低的時候,液體裡雜亂的顆粒全部原地立定。
然而,根據組分的不同,玻璃質材料可以有令人驚訝的近距結構程度。它們的無序排列也允許其有廣泛的光學和機械性能,使它們更適合於某些技術。
以金屬為基礎的玻璃應結合兩者的優勢,提供結晶金屬所沒有的強度,同時仍具有導電性。
然而,玻璃的性態,僅憑理論是很難預測的。
因此,燕山大學的研究人員進行了實驗,在大約25千兆帕(略低於25萬個大氣壓)的高壓下壓扁被稱為"buckyballs" 的碳原子球體,然後在1000至1200攝氏度的溫度下烘烤這種混合物。
隨後,測試這些編號為AM-I、II和III的產品,化學家們繪製出原子相互結合的方式,顯示它們成了半導體,其水平可與非晶矽相媲美。
但真正引人注目的是AM-III的機械性能。
鑽石是最硬的已知物質之一。一種常見的硬度測量方法,稱為維氏硬度測試,實際上就是使用鑽石尖端來壓入材料。材料越硬,留下一個相當痕跡所需的力(以千兆帕為單位)就越大。
劃另一個鑽石可能需要60到100千兆帕的力。
玻璃質材料AM-III在維氏硬度測試中的測量值在110至116千兆帕之間,使其成為迄今為止最硬的非晶態固體。將這種物質沿著天然鑽石的平坦表面劃過,會留下一條清晰的線。
隨著時間的推移,或許我們能想出提高高硬度玻璃產能的方法,然後用它們替代高壓環境下使用的矽晶體管。
鑑於這種玻璃的研發更側重於實驗性,在一系列壓力和溫度下壓制和“烹調"其他碳同位素,如石墨烯,可能會有更多的發現。
材料科學最近已經進入了碳時代,科學家正想出巧妙的新方法,將排列方式不同的碳原子材料,所具有的機械和電氣特性用於工業和科研。
我們將如何使用AM-III,現在還很難說,但有一天它可能成為電氣工程師最好的朋友。
這項研究發表在《國家科學評論》上。
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