Een gloednieuw diamantglas gemaakt van carbon buckyballs

Het is het hardste glas waarvan bekend is dat het de hoogste thermische geleidbaarheid heeft van alle glasmaterialen.

Yingwei Fei en Lin Wang van Carnegie University maakten deel uit van een internationaal onderzoeksteam dat een nieuwe vorm van ultrahard koolstofglas synthetiseerde met een breed scala aan potentiële praktische toepassingen voor apparaten en elektronica. Het is het hardste glas waarvan bekend is dat het de hoogste thermische geleidbaarheid heeft van alle glasmaterialen. Hun bevindingen werden gepubliceerd in de natuur temperen.

Functie volgt vorm als het gaat om het begrijpen van de eigenschappen van materie. Hoe de atomen chemisch met elkaar verwant zijn, en hun resulterende structurele rangschikking, bepaalt de fysieke eigenschappen van het materiaal – zowel die waarneembaar met het blote oog als die alleen door wetenschappelijk onderzoek worden onthuld.

Koolstof is ongeëvenaard in zijn vermogen om stabiele structuren te vormen – alleen en in combinatie met andere elementen. Sommige vormen van koolstof zijn zeer gestructureerd, met zich herhalende kristalroosters. Anderen zijn meer ongeordend, een bijvoeglijk naamwoord dat amorf wordt genoemd.

Het type binding dat een op koolstof gebaseerd materiaal bij elkaar houdt, bepaalt de hardheid ervan. Zacht grafiet heeft bijvoorbeeld tweedimensionale bindingen en harde diamant heeft driedimensionale bindingen.

“Het synthetiseren van een amorf koolstofmateriaal met driedimensionale bindingen is een langetermijndoel geweest”, legt Fay uit. “De kunst is om het juiste uitgangsmateriaal voor transformatie te vinden met toegepaste druk.”

“Al tientallen jaren lopen Carnegie-onderzoekers voorop in het veld en gebruiken laboratoriumtechnieken om extreme druk te genereren om nieuwe materialen te produceren of omstandigheden te simuleren die diep in planeten worden gevonden”, voegde Carnegie Earth en Planetary Laboratory-directeur Richard Carlson eraan toe.

Vanwege het extreem hoge smeltpunt is het onmogelijk om diamant te gebruiken als uitgangspunt voor de samenstelling van diamantachtig glas. Het onderzoeksteam onder leiding van Bingbing Liu van Jilin University en Minguang Yao – een voormalig gastonderzoeker aan de Carnegie University – heeft echter grote vooruitgang geboekt door een vorm van koolstof te gebruiken die bestaat uit 60 moleculen die zijn gerangschikt om een ​​holle bol te vormen. Dit Nobelprijswinnende materiaal, informeel een buckyball genoemd, is voldoende verhit om zijn voetbalachtige structuur te verbrijzelen om grote schade aan te richten voordat koolstof onder druk in een kristallijne diamant wordt veranderd.

Het team gebruikte een extra grote multi-aambeeldpers om het diamantachtige glas te maken. Het glas is groot genoeg voor karakterisering. De eigenschappen zijn bevestigd met behulp van een verscheidenheid aan geavanceerde technieken met hoge resolutie om de atomaire structuur te onderzoeken.

“Het creëren van glas met deze superieure eigenschappen opent de deur naar nieuwe toepassingen”, legt Fay uit. Het gebruik van nieuwe glasmaterialen is afhankelijk van het maken van grote stukken, wat in het verleden een uitdaging was. De relatief lage temperatuur waarbij we dit nieuwe ultraharde diamantglas konden vervaardigen, maakt massaproductie praktischer. “

Referentie: “Ultraharde amorfe koolstof van samengevouwen fullereen” door Yuchen Shang, Zhaodong Liu, Jiajun Dong, Mingguang Yao, Zhenxing Yang, Quanjun Li, Chunguang Zhai, Fangren Shen, Xuyuan Hou, Lin Wang, Nianqiang Zhang, Wei Zhang, Rong Fu, Jianfeng Ji, Xingmin Zhang, He Lin, Yingwei Fei, Bertil Sundqvist, Weihua Wang, Bingbing Liu, 24 november 2021, de natuur temperen.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03882-9

Dit werk werd financieel ondersteund door het National Key Research and Development Program van China, de National Natural Science Foundation of China en de China Postdoctoral Science Foundation.