Использование алмаза для резки стекла не является чем-то новым, но команда ученых из северного Китая недавно представила наиболее твердый в мире стеклообразный материал, способный глубоко поцарапать даже поверхность алмаза.
Образец с рабочим названием AM-III – прозрачный, немного желтоватый материал, состоящий из атомов углерода, продемонстрировал показатель в 113 гигапаскалей (ГПа) во время испытания твердости по Виккерсу. Для натурального алмаза этот показатель колеблется от 50 до 70 ГПа, у искусственных изделий бывает выше 100 ГПа.
Хотя для запуска промышленного производства чудо-стекла могут потребоваться годы, да и стоить оно будет недешево, однако прочность пуленепробиваемого стекла, на основе AM-III, будет превышать современные аналоги в 20 - 100 раз.
Кроме того, по мнению исследователей, стекло найдет широкое применение в высокотехнологических отраслях. Дело в том, что AM-III, является почти таким же эффективным полупроводником, как кремний.
Способность проводить электрический ток позволяет использовать стекло в фотоэлектрических устройствах, например компонентах вооружения, которые должны исправно работать даже при попадании осколков снарядов или для создания сверхпрочных солнечных батарей.
«Появление такого сверхпрочного аморфного полупроводника на основе молекул углерода открывает широкие перспективы для применения в самых сложных условиях», – так отзываются разработчики AM-III в журнале National Science Review. Авторы исследования – профессор Tian Yongjun и его коллеги из Научного центра физики высоких давлений университета Яньшань (Centre for High Pressure Science in Yanshan University). Они проводят свои исследования в г.Циньхуандао провинции Хэбэй, известной сегодня не только своими традициями виноделия, но и как место концентрации высокотехнологичных производств.
Алмаз – это кристалл. В кристаллах атомы и молекулы выстраиваются в строгом порядке в кристаллическую решетку. Материал, лишенный решетки, представляет аморфную массу, которую классифицируют как стекло. Обычно оно не отличается прочностью, но AM-III удивительно сочетает свойства кристаллов и аморфных материалов. Атомы углерода здесь упорядочены в виде углеродных молекул-многогранников, которые хаотично располагаются в толще материала.
Tian рассказывает, что в ходе многочисленных опытов были созданы образцы различных материалов. Под микроскопом они выглядят как кристаллы, но при уменьшении масштаба становится понятно, что кристаллы не формируют традиционную кристаллическую решетку, а расположены в произвольном порядке. Из всех образцов наибольшей прочностью отличался кристалл нитрида бора, полученный командой профессора в 2013 г. Он в два раза прочнее искусственного алмаза (200 ГПа) и этот рекорд остался непревзойденным. Зато AM-III продемонстрировал самый лучший баланс между прочностью и проводящими свойствами.
Если искусственные алмазы производятся из дешевого графита, то AM-III получают из родственных ему фуллеренов. Это молекулярные соединения атомов углерода в виде выпуклых многогранников, похожих на футбольный мяч. В природе фуллерены образуются при горении газа и разрядах молнии, особенно богат ими морской воздух. При нормальных условиях фуллерены мягкие, их даже использовали при производстве косметики.
Профессор Tian с коллегами знали о попытках закалки фуллеренов, но первыми решили провести этот процесс при экстремальных давлении (25 ГПа) и температуре (1200 C). Чтобы фуллерены не спеклись в алмаз из-за резкого перепада условий среды, было решено наращивать температуру и давление постепенно. За 12 часов показатели довели до обозначенного максимума и столько же времени постепенно сбавляли воздействие.
Хотя опыты проходили в Китае, открытие следует считать плодом работы международного коллектива исследователей, в который также вошли научные работники из России, Швеции, Германии и США, занимавшиеся анализом данных и предлагавшие идеи.
Ученые получили много прочных материалов, но не все они подходят для практического применения при современных технологиях. Например, новый материал графен теоретически может противостоять давлению, превышающему 400 ГПа. Но это возможно лишь если его толщина не превышает один атом. Сочетание нескольких слоев графена превращает его в обычный мягкий графит. Поэтому в ходе экспериментов можно было исследовать лишь подобные напыления на поверхности других материалов. А вот стекло AM-III изготавливать можно различного размера и формы. Более того, по сравнению с алмазами, имеющими уязвимые места из-за особенностей строения их молекул, AM-III одинаково прочен со всех сторон.
Теперь Китай знаменит не только как лидер производства стеклянной посуды или стеклянных фасадов для зданий, но и как родина самого прочного стекла.
По материалам asiaone.com
