Neues ultrahartes Diamantglas, synthetisiert mit Carbon Buckyballs

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Forscher verwenden eine Multi-Amboss-Presse, um Fulleren C60 in Diamantglas umzuwandeln, ähnlich wie bei der Umwandlung von Graphit in Diamant in Hochdruckapparaturen. Bildnachweis: Bild von Yingwei Fei

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 Fülle 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. Wie seine Atome chemisch aneinander gebunden sind und die daraus resultierende strukturelle Anordnung bestimmt die physikalischen Eigenschaften eines Materials – sowohl diejenigen, die mit bloßem Auge beobachtet werden können, als auch diejenigen, die nur durch wissenschaftliche Untersuchungen entdeckt werden.

Carbon ist konkurrenzlos in seiner Fähigkeit, stabile Strukturen zu bilden – allein und in Kombination mit anderen Elementen. Einige Formen von Kohlenstoff sind hoch organisiert, mit sich wiederholenden kristallinen Gittern. Andere sind ungeordneter, 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.

„Die Synthese eines amorphen Kohlenstoffmaterials mit dreidimensionalen Bindungen ist ein langjähriges Ziel“, erklärt Fei. „Der Trick besteht darin, das richtige Ausgangsmaterial zu finden, um es unter Druck zu transformieren.“

„Seit Jahrzehnten sind Carnegie-Forscher an vorderster Front auf diesem Gebiet tätig und verwenden Labortechniken, um extreme Drücke zu erzeugen, um neuartige Materialien herzustellen oder die Bedingungen tief im Inneren von Planeten nachzuahmen“, fügte 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 Carnegie-Gastwissenschaftler – erzielte jedoch seinen 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, um Unordnung zu erzeugen, bevor der Kohlenstoff unter Druck in kristallinen Diamanten umgewandelt wird.

Das Team verwendete eine großvolumige Multi-Amboss-Presse, um das diamantähnliche Glas zu synthetisieren. Das Glas ist ausreichend groß für die Charakterisierung. Seine Eigenschaften wurden mit einer Vielzahl fortschrittlicher, hochauflösender Techniken zur Untersuchung der Atomstruktur bestätigt.

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

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

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