На атомном уровне стекло представляет собой беспорядочную смесь атомов, из-за чего оно легко деформируется и трескается. Ученые-химики обнаружили, как расположить атомы в стекле таким образом, чтобы полученный материал мог соперничать по прочности с алмазами.
Группа материаловедов из Университета Яншань в Китае обнаружила критическую пропорцию кристаллизованного и аморфного углерода, необходимую для создания стекла, которое не трескается под сильным давлением.
Они отмечают, что прочность алмаза определяется четырьмя связями, которые каждый атом углерода создает с соседями. Хотя эти связи образуют прочную связь, они также не оставляют возможностей для проводимости тока.
При этом структура стекловидных тел не имеет повторяющихся узоров в общем масштабе. Однако такие материалы могут иметь повторяющиеся структуры в меньших масштабах. Их неупорядоченное расположение обеспечивает широкий диапазон для изменения оптических и механических свойств.
Стекла на основе металлов должны сочетать в себе преимущества обоих, придавая степень прочности, которой нет у кристаллических металлов, но при этом оставаясь проводящими. Однако определить, как может вести себя стеклообразное состояние углерода, сложно, основываясь только на теории.
Исследователи из Яншаня экспериментировали, сдавливая сферы из атомов углерода, называемые «бакиболами», под интенсивным давлением около 25 гигапаскалей (чуть менее 250 000 атмосфер), а затем запекали их при температуре от 1000 до 1200 градусов по Цельсию.
Подвергнув продукты, получившие название AM-I, II и III, ряду тестов, химики составили карту того, как атомы связаны друг с другом, показав, что все они работают как полупроводники на уровне, сопоставимом с аморфным кремнием.
При этом их механические свойства показали выдающиеся результаты.
Алмаз известен как одно из самых твердых веществ. При испытании твердости по Виккерсу используется алмазный наконечник для вдавливания материала. Чем тверже материал, тем больше сила (измеряемая в гигапаскалях), необходимая для того, чтобы оставить на нем след.
Для того, чтобы поцарапать другой алмаз, может потребоваться от 60 до 100 гигапаскалей, в зависимости от того, является ли он натуральным или изготовлен в лаборатории.
Твердость стекловидного материала AM-III достигала от 110 до 116 гигапаскалей в тесте на твердость по Виккерсу, что делает его самым твердым аморфным телом на сегодняшний день. При скольжении вещества по плоской поверхности природного алмаза оставалась четкая линия надреза.
Исследователи говорят, что массовое производство такого рода материалов в настоящее время является слишком дорогостоящим. Но, по их словам, со временем развитие технологий позволит обеспечить его, чтобы заменить существующие кремниевые транзисторы.
Комментарии (14)
Sagachka
16.08.2021 11:29Взяли горсть фуллеренов, сжали и запекли. Вышло нечто, что режет алмаз и является полупроводником. В итоге решили делать из него транзисторы. Неожиданный финал статьи честно говоря.
Xo4y_3uMy
16.08.2021 11:31+3Ну опять же...
Причём тут стекло, я вообще нигде его не увидел в исходных новостях? Да и "самый" твердый не так важен.
Смысл открытия:
"Ученый смогли сделать аморфный кремний очень твердым, оставив его ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ свойства"
В отличие от алмаза, например.
Так что, в перспективе, можно ожидать сверхнадежных транзисторов.
Vest
16.08.2021 11:43+2Я бы вообще придрался бы к переводу просто потому, что учёные не "обнаружили" (под ногами нашли), а именно открыли. Да и не стекло там было (потому что "стекло" -- это другой термин), а "стеклоуглерод" из которого сделали аморфный углерод с определёнными свойствами.
dolovar
16.08.2021 11:51учёные не «обнаружили» (под ногами нашли), а именно открыли
Вообще-то, аморфные формы твердого углерода известны и изучаются давно (пример навскидку).
Поэтому позволю себе не согласиться с предложенной придиркой: экспериментировали с составами, температурами и давлениями, во множестве результатов нашли (а не открыли) интересное.Vest
16.08.2021 11:56Ваше право, мне перевод этого слова просто "резанул" ухо, потому как я всегда воспринимал результат работы учёных именно как открытие. Извините, если вас задел.
dolovar
16.08.2021 11:47+3Ученый смогли сделать аморфный кремний очень твердым, оставив его ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ свойства
Аморфный углерод, а не кремний, не так ли?можно ожидать сверхнадежных транзисторов
Способность царапать алмазы — это отнюдь не самое главное свойство надежного транзистора.Xo4y_3uMy
16.08.2021 12:37Аморфный углерод, а не кремний, не так ли?
Вот это опечатка... Вы совершенно правы!
Foxbator
16.08.2021 12:23Твердость и прочность разные свойства. Алмаз не отличается прочностью. Крупный алмаз можно разбить уронив на твердый пол. Как правило чем твёрже материал тем более он хрупок.
dolovar
Не понятно, почему кристаллический углерод, который алмаз, здесь назван стекловидным материалом, стеклом «на основе металлов», да еще и «аморфным твердым телом».
Пропорцию или смесь? В исходниках или в результате? Статья выглядит недостаточно сдавленной и пропеченной. Пропорция кристаллических утверждений и аморфных описаний в статье выглядит критичной, а не критической.
grebenyukov
Может, из-за того, что отсутствует характерная кристаллическая решетка?
dolovar
Предполагаю, здесь речь идет не об отсутствии решетки, а о композитном материале — алмазный «песок» смешали с алмазным «цементом» и получили алмазный «бетон».
Почему результат продолжают называть аморфным — вопрос открытый.
Xo4y_3uMy
Нет, речь идёт именно о структуре. По факту получилась именно аморфная структура.
Правда автор статьи забыл указать один маленький, малозначимый факт:
При твердости алмаза - новая модификация кремния осталась полупроводником )
dolovar
gregorybednov
Нет, не оксюморон.
Кристаллом может называться только строго периодическая структура, в которой атомы существенно не меняют своего периодического положения на протяжении крайне большого расстояния между ними.
Иными словами, можно взять прямую, соединить два соответствующих атома из разных структурных единиц, и далее будут миллионы атомов, лежащие (с поправкой на термические колебания) на этой же прямой.
Поэтому если, скажем, у вас в структуре можно сосчитать, скажем, десяток тысяч атомов, находящихся подряд на одной линии, то это не кристалл. В то же время, это и не жидкость (это понятно как по макрохарактеристикам, так и по тому, что у жидкостей обычно такая "периодичность" решетки составляет десятки-сотни атомов). Это аморфное состояние вещества, которое при этом да, точно является структурой (т.к. атомы всё равно связаны между собой, притом на уровне решетки даже относительно упорядоченные). Названо оно аморфным только в сравнении с кристаллом, тут не нужно искать "скрытого смысла" в этих физических терминах.
(P.S. Возможно, что с некоторыми цифрами что-то напутал, но то, что жидкость отличается от аморфного состояния, а аморфное от кристалла каждый на несколько десятичных порядков по указанному критерию (сколько атомов можно поставить на одну прямую из-за периодичности структуры), это точно)