Neues ultrahartes Diamantglas, synthetisiert mit Carbon Buckyballs

Es ist das härteste bekannte Glas mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit unter allen Glasmaterialien.

Yingwei Fei und Lin Wang von Carnegie waren Teil eines internationalen Forschungsteams, das eine neue ultraharte Form von Kohlenstoffglas mit einer Vielzahl potenzieller praktischer Anwendungen für Geräte und Elektronik synthetisierte. Es ist das härteste bekannte Glas mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit unter allen Glasmaterialien. Ihre Ergebnisse werden veröffentlicht in Natur.

Funktion folgt Form, wenn es darum geht, die Eigenschaften eines Materials zu verstehen. Die chemische Beziehung seiner Atome zueinander und die daraus resultierende strukturelle Anordnung bestimmen die physikalischen Eigenschaften eines Materials, sowohl diejenigen, die mit bloßem Auge beobachtet werden können, als auch diejenigen, die nur durch wissenschaftliche Untersuchungen offenbart werden.

Carbon ist unübertroffen in seiner Fähigkeit, allein oder in Kombination mit anderen Elementen stabile Strukturen zu bilden. Einige Formen von Kohlenstoff sind hoch organisiert, mit sich wiederholenden Kristallgittern. Andere sind unordentlicher, eine Eigenschaft, die als amorph bezeichnet wird.

Die Art der Verbindung, die ein kohlenstoffbasiertes Material zusammenhält, bestimmt seine Härte. Weicher Graphit hat beispielsweise zweidimensionale Bindungen und harter Diamant hat dreidimensionale Bindungen.

„Ein amorphes kohlenstoffhaltiges Material mit dreidimensionalen Bindungen zu synthetisieren ist seit langem ein Ziel“, erklärte Fei. „Die Kunst besteht darin, durch Druck das richtige Ausgangsmaterial für die Verarbeitung zu finden. „

„Seit Jahrzehnten sind Carnegie-Forscher an vorderster Front auf diesem Gebiet und verwenden Labortechniken, um extreme Drücke zu erzeugen, um neue Materialien zu produzieren oder um Bedingungen tief in den Planeten nachzuahmen“, fügt Richard Carlson, Direktor des Carnegie Earth and Planets Laboratory, hinzu.

Aufgrund seines extrem hohen Schmelzpunktes ist es unmöglich, Diamant als Ausgangspunkt für die Synthese von diamantähnlichem Glas zu verwenden. Das Forschungsteam unter der Leitung von Bingbing Liu von der Jilin University und Mingguang Yao, einem ehemaligen Gastwissenschaftler von Carnegie, schaffte jedoch den Durchbruch mit einer Form von Kohlenstoff, die aus 60 Molekülen besteht, die zu einer hohlen Kugel angeordnet sind. Informell als Buckyball bezeichnet, wurde dieses mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Material gerade genug erhitzt, um seine fußballähnliche Struktur zu kollabieren und Unordnung zu verursachen, bevor Kohlenstoff unter Druck in kristallinen Diamanten umgewandelt wird.

Das Team verwendete eine großvolumige Multi-Amboss-Presse, um das rautenförmige Glas zu synthetisieren. Das Glas ist groß genug für die Charakterisierung. Seine Eigenschaften wurden mit verschiedenen fortschrittlichen hochauflösenden Techniken zur Untersuchung der Atomstruktur bestätigt.

„Die Herstellung eines Glases mit solch überragenden Eigenschaften wird die Tür zu neuen Anwendungen öffnen“, erklärte Fei. „Der Einsatz neuer Glasmaterialien ist auf die Herstellung großer Teile angewiesen, was in der Vergangenheit eine Herausforderung darstellte. Die vergleichsweise niedrigere Temperatur, bei der wir dieses neue ultraharte Diamantglas synthetisieren konnten, macht die Massenproduktion komfortabler.

Referenz: „Ultraharter amorpher Massenkohlenstoff aus kollabiertem Fulleren“ von 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 und Bingbing Liu, 24. November 2021, Natur.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03882-9

Diese Arbeit wurde vom National Key R&D Program of China, der National Natural Science Foundation of China und der China Postdoctoral Science Foundation finanziell unterstützt.