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新形式“渾沌”晶體硬度可與金剛石相比

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據物理學家組織網8月17日(北京時間)報道,最近,美國卡內基研究院與內布拉斯加大學林肯分??蒲Ъ液獻?,創造出一種碳的新形式,混合了晶體和非晶體兩種結構,是一種“有序化的無序排列”,堪稱“渾沌”晶體。這種材料非常堅硬,能在鉆石上留下凹痕。這一發現在機械力學、電子學、電氣化學等領域都有著廣泛應用前景。相關論文發表在8月17日的《科學》雜志上。


碳元素在宇宙中含量排第四,僅次于氫、氮和氧,以多種形式存在:石墨、鉆石、單層蜂窩狀的石墨烯、圓柱形納米管,還有籠子形狀的富勒烯,也叫“巴基球”。這些碳有些以晶體形式存在,即碳原子的單位結構不斷重復,排列成有規律的結構;另一種是非晶體。此外,科學家認為還可能有晶體和非晶體的混合形式存在,但以前從未觀察到過。


該研究由卡內基研究院的王林(音譯)領導。他們在巴基球(C-60)中加入一種有機二甲苯(C8H10)溶劑,讓其溶解后施加高壓,觀察在不同壓力下會發生怎樣的變化。在相對低壓條件下,C-60還能保持籠子形狀,隨著壓力升高,籠結構開始破裂成非晶體的碳原子簇。然而,這些非晶體碳簇仍保持在它們原來的位置上,形成一種晶格結構。研究人員稱之為“有序非晶體碳簇”。


形成這種結構的壓力范圍非常狹窄。低于30萬個大氣壓時,形成的新結構在消除壓力后會恢復成原來的球狀,達到32萬個大氣壓后,新結構就是穩定的,消除壓力后也不會復原。


隨后,研究人員用阿拉貢國家實驗室的先進光源、布魯克海文國家實驗室的同步光源對新材料進行了檢測,驗證了它的結構。他們在實驗用的鉆石上發現了擠壓留下的凹痕,這表明新材料的硬度接近鉆石。


如果加熱除掉渾沌晶體中的溶劑,它們就會失去規則的晶格結構。研究人員解釋說,這表明溶劑是這種渾沌晶體保持其化學過渡性的關鍵。類似的溶劑還有很多種,因此在理論上,通過施壓來構造一種與此類似、但更輕的碳晶格結構是可能的。


王林說:“我們創造了一種新型碳材料,硬度可與鉆石相比。這種材料在極端高壓下一旦形成,就能在正常條件下存在,這意味著它們具有廣泛的實際應用價值?!?


總編輯圈點


這應該是很多制造商們夢寐以求的材料:重量輕、強度高。人們由此首先聯想到的,大概是飛行效率更高的飛機。但要如此大面積地使用這種新型碳材料恐怕還為時尚早。要制造32萬個大氣壓,需要在指甲蓋大小的面積上施加320萬牛頓的外力,其制備難度和成本可想而知。在成本更低的方法出現前,人們大概只能期待些體積小巧的設備,諸如鋒利無比的小刀。


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