Самое прочное в мире стекло царапает алмаз и проводит электричество

Ученые-материаловеды из Яньшаньского университета Китая (Yanshan University) и их коллеги из других стран изобрели новый прозрачный материал необычайной прочности. Он также обладает свойствами полупроводника. Статья об этом опубликована в научном журнале National Science Review.

По сообщению издания South China Morning Post, прозрачный материал открывает некоторые захватывающие возможности в области фотоэлектроники.

Названный AM-III, новый материал имеет сходства с алмазом. И это сходство состоит в том, что и алмаз, и AM-III прозрачны, а также составлены из атомов углерода. Однако у алмаза атомы углерода расположены в виде упорядоченной структуры – кристаллической решетки. А у материала AM-III организованной структуры не наблюдается: он аморфный, как стекло и пластмассы.

Впрочем, атомы углерода в материале AM-III все же структурированы. Они упакованы в углеродные молекулы под названием фуллерены. Особенность фуллеренов в том, что каждая их молекула представляет собой многогранник, напоминающий по форме футбольный мяч. В вершинах этого многогранника расположены атомы углерода. Сами же фуллерены в материале AM-III разбросаны в случайном беспорядке. То есть AM-III представляет собой комбинацию порядка и хаоса.

Как выяснили авторы работы, именно эта комбинация порядка с беспорядком и придает новому материалу его особенные свойства. Беспорядок обеспечивает лучшие, чем у кремния, полупроводниковые свойства, а порядок – "алмазную" твердость.

Работа над созданием нового материала была кропотливой. Нужно было довести задуманную учеными углеродную структуру до температуры 1 200° С под давлением 25 Гпа.

Однако фуллерены представляют собой очень мягкий материал. При повышении температуры и давления углеродные "футбольные мячи" дробятся и смешиваются. Поэтому исследователи увеличивали температуру и давление в экспериментальной камере постепенно, в течение 12 часов. Это позволило добиться нужной структуры AM-III. Потом химики медленно охлаждали новый материал.

Если давление и температура увеличивались слишком быстро, получался просто алмаз, без полупроводниковых свойств.

Издание South China Morning Post отмечает, что в мире разные группы ученых соревнуются между собой в сфере создания сверхтвердых материалов. При этом материал AM-III родился в результате международного сотрудничества. В эксперименте, проведенном в Китае, приняли участие ученые из России, Швеции, США и Германии.

Новый материал AM-III прозрачен, имеет желтоватый оттенок и выдерживает давление 113 ГПа при испытаниях на твердость по Виккерсу. Для сравнения, "мягкая" сталь демонстрирует твердость по Виккерсу около 9 ГПа, а природные алмазы – около 70–100 ГПа.

При испытаниях механических свойств аморфный материал АМ-III оказался способен поцарапать поверхность алмаза. Полупроводниковые свойства АМ-III выражаются в виде ширины запрещенной зоны 1,5–2 эВ и схожи с таковыми у кремния.

Сочетание выдающихся электрических и механических свойств делает AM-III привлекательным для устройств на основе фотоэлектрических технологий, которые преобразуют свет в электричество. Включая оружие, которое должно функционировать в экстремальных условиях – при высоком давлении и температуре, подчеркивает South China Morning Post.

Умелые руки ученых часто создают удивительные новые материалы. Так, ранее мы писали, что на Земле впервые была создана металлическая вода и что она оказалась золотой. А еще мы рассказывали, что ученые ННГУ создали девятислойный кремний, который в 100 раз лучше излучает свет, и что волокно изо льда согнули в дугу.

Больше интересных новостей науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".