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.
