Ultratvrdo dijamantno staklo od ugljične nogometne lopte

Znanstvenici Carnegie Science Instituta razvili su ultratvrdo dijamantno staklo koje je u cijelosti napravljeno od zdrobljenih "nogometnih" C60 loptica od ugljika, a novi materijal osim tvrdoće donosi visoku termalnu provodnost i mogao bi naći primjenu u elektronici.

Ugljik je svestran element koji tvori mnoge stabilne strukture u raznim atomskim rasporedima, od grafena do dijamanta. Mogu se ponavljati kristalni uzorci ili amorfni poput stakla, a same atomske veze mogu se formirati u dvije ili tri dimenzije, što određuje tvrdoću materijala. Međutim, neke oblike, poput dijamantnog stakla, bilo je teže napraviti od drugih.

"Sinteza amorfnog ugljikovog materijala s trodimenzionalnim vezama je dugogodišnji cilj", kaže Yingwei Fei, autor nove studije. "Trik je pronaći pravi početni materijal za transformaciju primjenom pritiska."

Ako, na primjer, izvršite pritisak na grafit, na kraju ćete dobiti kristalni raspored dijamanta. Sam dijamant može se činiti kao logična početna točka za izradu dijamantnog stakla, ali njegova točka taljenja od 4.227 °C je previsoka za praktičnu upotrebu. Tim je trebao pronaći oblik ugljika koji će biti dovoljno "atomski poremećen" prije nego što bude izložen pritisku.

Tražena svojstva pronašli su u fulerenu, poznatom kao "buckyballs" sferi koja se sastoji od 60 atoma ugljika raspoređenih u oblik šuplje nogometne lopte. Fuleren je treća alotropska modifikacija ugljika (uz dijamant i grafit), organska tvar s kuglastim šupljim molekulama u obliku pravilnih poliedara, koja se sastoji od ugljikovih atoma povezanih u 12 peterokuta i različit broj šesterokuta.

Znanstvenici su ih zagrijavali sve dok se oblik lopte nije srušio u neuređeni raspored, a zatim je primijenjen visoki pritisak pomoću preše s više nakovnja. Krajnji rezultat je staklo nalik dijamantu, koje se moglo proizvesti u komadićima veličine milimetra.

Pažljivijim pregledom, tim je otkrio da se novo staklo može pohvaliti tvrdoćom od oko 102 GigaPaskala (GPa), što je više od prirodnog dijamanta, ali ne toliko tvrdo kao AM-III, oblik stakla nedavno sintetiziranog u Kini koji je imao tvrdoću od 113 GPa.

Znanstvenici kažu da novo ultratvrdo staklo ima najveću toplinsku vodljivost od svih amorfnih materijala, s vrijednošću od 26 k. Važno je da se može sintetizirati na temperaturama između 900 i 1.000 °C, što je na rubu prihvatljivosti za industrijsku proizvodnju.

"Stvaranje stakla s takvim vrhunskim svojstvima otvorit će vrata novim aplikacijama", navodi Fei. "Upotreba novih staklenih materijala ovisi o izradi velikih komada, što je u prošlosti predstavljalo izazov. Relativno niska temperatura na kojoj smo uspjeli sintetizirati ovo novo ultratvrdo dijamantno staklo čini masovnu proizvodnju praktičnijom."

Čitav znanstveni rad objavljen u časopisu Nature možete pronaći na ovoj poveznici.