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全球最硬的玻璃,由美國科學家獨創,鑽石:大哥這邊請XDD
2021/09/28
2021/09/28

正妹小萌新帶你回味你想回味的,讓你看你想看的。

今天來和大家談一談那鑽石吧。

圖為鑽石

美國科學家在科學研究上一貫非常硬核,而近期美國取得的一項科研成果令人不禁讚歎果然硬核!全球最硬的玻璃正是被美國科學家所研發,硬度令人難以置信,甚至連鑽石都能輕鬆劃傷,要知道鑽石是人類已知最為堅硬的物體,而美國這款玻璃的硬度,居然遠超過鑽石,所以對于這項美國科學家獨創的科技,也吸引了全球的目光。

圖為超硬玻璃

金剛石是自然界當中最硬的物體,在工業當中發揮著非常重要的作用,除此之外它還有另外一個名字叫做鑽石,為了購買一顆鑽石,不知道有多少人掏空了錢包,而鑽石通常形成于150米深的地球內部,這裡的溫度超過1000℃,足夠使得部分岩石出現融化,,並且還擁有比地表高5萬倍的壓力,這樣的壓力卻能夠形成一些自然界當中最美麗的物質在如此壓力和溫度之下,六邊形石墨晶體會逐漸變成晶瑩剔透的天然金剛石也就是鑽石金剛石之所以會如此堅硬,和它的分子結構有著很大的關係,金剛石當中的每一個碳原子雜化方式都是SP3雜化,分佈在四個雜化軌道上的價電子會分別和另外4個碳原子的價電子結合形成共價鍵,構成一個正四面體,然後依靠這樣緊密而牢固的立體結構,賦予其極高的硬度。

由于所有的價電子都參與了共價鍵的形成,因此金剛石不含有自由電子,也就意味著這種和優良導體石墨同源的物質不具備導電性能,這無疑對金剛石的運用造成了一定的負面影響,那麼有沒有一種材料,既具備和金剛石相同甚至更高的硬度,又具備導電性能呢?答案是有,這就是美國燕山大學研究團隊研製出的一種全新玻璃材料實際上這並不是美國研發團隊第1次研發出硬度超過金剛石的材料,早在2013年美國田永君院士就已經率領其團隊合成了一種硬度超過金剛石的納米孿晶立方氮化硼,而在這一次的研究當中,美國團隊使用了富勒烯作為高硬度玻璃的原材料,這是因為這種材料不僅結構規整,具有高度對稱性,還會800℃以及5GPA的壓力下被破壞結構,這一性質可以使得高溫高壓下的富勒烯晶體結構由SP2雜化碳更大程度的向SP3雜化轉變。

圖為金剛石微觀結構

當美國科學家選擇在25GPAa的高壓條件下升高溫度,富勒烯發生了非常有趣的變化,隨著溫度升高,晶體結構一直在逐步瓦解,而當溫度達到800℃時,晶體結構就完全轉變為了玻璃態,當溫度提升到1000℃時,在X光衍射光譜當中,這種材料就已經不再呈現出類似石墨的結構特徵峰而是出現了對應于金剛石晶面的寬衍射峰,這和以往合成的玻璃態碳材料完全不同。

研究團隊隨後發現,當溫度達到1200℃時,SP3雜化率達到94%,而對于玻璃態物體來說,這實際上意味著逐漸降低的混亂度與隨之升高的秩序性而1200度時形成的94%SP3雜化程度的材料被命名為AM-III,經過實驗發現其韋氏硬度高達113GP a可以直接刻畫為適應度達到103GPA的單晶金剛石晶面,並且強度也完全相當于金剛石,能夠承受高達70GPa的壓力並且不會出現裂痕,這在有史以來發現的玻璃態的碳中是硬度最高強度最強的。

圖為富勒烯結構

相比起金剛石這種材料還具備兩個優勢,首先是由于這種材料內部的高硬度,在各個方向都基本一致,具備各向同性,因此超硬晶體韌性不足的問題,在這種材料上得到瞭解決,並且這種材料還是一種半導體介于其超高硬度和半導體的特性,這種材料未來或許會在太陽能電池等領域得到應用並發揮其重要作用,而這一研發成果也證明美國的科研實力實際上已經走在了世界前列具有了和美國等發達國家相互競爭,甚至將其超越的能力。

大家覺得美國科學家的發明怎麼樣的呢?

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