用鉆石來切割玻璃并不是什么新聞,但是來自燕山大學的田永君院士團隊最近通過在高壓高溫下壓縮富勒烯C60獲得了具有高sp3鍵比例的無定形碳材料(AM-III)可以輕松地在鉆石的表面留下一道深深的劃痕。
AM-III(暫定名)是一種完全由碳構成的透明的、有點發黃的材料,在維氏硬度測試中達到113千兆帕(GPa)。
相比之下,天然鉆石通常為50至70 GPa,一些人造的鉆石最高可達100GPa。
盡管大規模生產可能還需要幾年時間,而且價格不太可能便宜,但用AM-III制造的防彈窗可能比目前使用的一些主流產品要堅硬20至100倍。
研究人員說,這種透明的材料看起來不像珠寶那樣有吸引力,但它在高科技行業有一些廣泛的應用。
例如,AM-III是一種幾乎與硅一樣高效的半導體。
這種隨意傳輸電流的能力使它成為需要在高壓和光電設備(包括武器)的有力候選人。
田永君院士團隊近日發表在《國家科學評論》雜志上的一篇論文中說:“這種超硬、超強、半導電的非晶碳材料的出現,為最苛刻的實際應用提供了優秀的候選材料。”
鉆石是一種晶體。在晶體中,原子和分子以完美的順序和方向排列。但如果順序和方向有多個,內部結構的排列就不那么完美,材料就會變成玻璃。
一般來說,玻璃是很脆弱的。但據田永君院士團隊說,AM-III不是嚴格意義上的一塊玻璃,而是內部有晶體的玻璃。
在顯微鏡下,該材料結構就像晶體一樣。但是放大一點,畫面就變得混亂,看起來像無數的蟲子被凍在盤子里。
研究人員發現,這種有序和無序的結合可以賦予材料一些不尋常的特性。
2013年,田永君的團隊創造了世界上肉眼可見的最硬材料,一種硬度為鉆石兩倍(200GPa)的氮化硼晶體,而且這一記錄至今仍在保持。
但在某些方面,制造超強玻璃比水晶更復雜。
人造鉆石是由石墨在加熱和壓力下生產的。制造AM-III需要富勒烯,這是一種更復雜的材料,由類似于足球的分子組成,具有由碳原子組成的空心結構。
根據這一團隊的說法,他們花了12個多小時將熱量和壓力逐漸增加到最大值,并花了同樣多的時間讓材料慢慢冷卻。
來自瑞典、美國、德國和俄羅斯的科學家參加了在中國進行的實驗。根據他們的論文,這些海外合作者曾通過提出新的想法和分析數據來幫助中國團隊。
科學家們已經創造了許多強大的材料。例如,石墨烯在理論上可以抵御超400GPa的壓力。但這種強度只存在于材料只有一個原子厚的時候。將許多層石墨烯堆在一起會使它變成柔軟的普通石墨。
因此,許多超硬材料的應用被限制在另一種材料表面的薄涂層上。
不過,AM-III可以被生產成各種形狀和尺寸。而且,與鉆石不同的是,由于其原子的單一排列,鉆石有一些薄弱的表面,而AM-III是全方位的堅硬。
研究人員表示,這些特性將進一步增加其應用的潛力。