尊爵不凡碳材料,科學家新合成打不碎的超硬玻璃

作者 | 發布日期 2021 年 11 月 26 日 18:57 | 分類 尖端科技 , 材料 Telegram share ! follow us in feedly


碳是一多功能元素,其形成穩定結構的能力無與倫比,比如最近材料學家便透過加熱加壓巴克球(一種完全由碳組成的中空分子),合成出一種打不碎、類似鑽石的新型玻璃。

從石墨烯、奈米碳管到金剛石,碳以各種不同原子排列形成許多穩定但又具不同特性、外表、硬度、電導率的結構,有些結構呈重複圖案,比如鑽石;有些則像玻璃一樣無序,比如無定形碳(Amorphous carbon)。

而碳原子和其共價鍵可以形成一維、二維或三維原子網格,這決定了材料最終硬度,比如奈米碳管(Carbon Nanotube,CNT)通常是一維量子材料,石墨烯(Graphene)是僅 1 個碳原子厚度的二維片狀材料,鑽石中每個碳原子以四面體狀與另外 4 個碳原子鍵合,形成一個三維密鋪網狀的均勻結構。

在這當中,合成具三維鍵的無定形碳材料是科學家長期追求的目標,最好的方法是找到恰當原材料,然後透過加壓進行轉化,比如對石墨施加壓力會得到鑽石,而鑽石本身似乎又可以作為鑽石玻璃的起點。

然而鑽石的熔點太高,因此科學家希望可以找到一種加壓前先呈現無序結構的碳形式——卡內基科學研究所團隊最近在富勒烯(Fullerene)、俗稱巴克球(Buckyball)找到這種特性。

▲ 卡內基科學研究所合成鑽石玻璃。(Source:卡內基科學研究所

巴克球是一種由 60 個碳原子組成的空心球狀碳分子,因類似足球而得其名,當處於強烈壓力和溫度下,巴克球會坍塌成無序排列的玻璃,然而經過加壓後,卻可以合成出保留類鑽石的有序結構。

經分析鑑定,這種新型玻璃硬度約 102GPa,比天然鑽石高,但略低於前陣子製造的 AM-III 碳纖維,後者硬度高達 113 GPa,是目前已知最硬的玻璃。但最重要的是,新型鑽石玻璃可在 900~1,000℃ 溫度下合成,當前工業製造設備能輕輕鬆鬆處理此條件,讓大規模生產目標趨於現實。

新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

(首圖為巴克球分子結構,來源:shutterstock)