若放大到原子等級來看,玻璃的原子排列是混亂的,這因此讓玻璃很容易扭曲及破裂。現在,化學家們發現了如何來排列玻璃內的原子,使得這個材料甚至可以勝過鑽石的強度。

鍵結影響性質

中國燕山大學(Yanshan University)的材料科學家團隊發現了所需的結晶碳與非晶碳間的關鍵比例,來創造出具有卓越特性的玻璃,此玻璃在巨大的壓力下亦不會弱化。

一個材料的機械性質通常是來自其成分鍵結在一起的方式。鑽石強大的韌性是由其每一個碳原子與周圍的四個碳原子均進行鍵結而定。雖然這些鍵結形成了堅固的橋樑,但是它們也無法留下任何自由電子來形成電流,因此讓鑽石形成了絕緣體。

玻璃態固體並沒有重複的排列模式,至少在一般尺度上是如此。玻璃整體的結構或多或少類似於當液體的粒子因為溫度降得夠低而掉落於原處時所形成的結構。

然而,取決於組成成分,若是以較小尺度觀察玻璃態材料,可發現它們具有驚人的結構程度上差異。它們無序的排列也讓它們具有廣泛的光學與機械性質,因此較適於特定的科技。以金屬為基礎的玻璃應該要結合兩者的優點,提供結晶態金屬所沒有的一定程度的強度,同時還具有導電性。

然而,要確定玻璃態的碳表現起來可能會如何,單單從理論上來看是相當難預測的。

實驗內容與結果

所以,燕山大學的研究人員進行了實驗,將被稱為「巴克球」(buckyballs)的碳原子球體在大約 25 GPa(略低於 250,000 大氣壓)的強大壓力下進行擠壓,接著將其在攝氏 1000 到 1200 度下進行烘烤。

在將命名為 AM-I、AM-II、及 AM-III 的產物進行了一連串的測試後,化學家們將原子們彼此鍵結的方式描繪了出來,顯示它們都能作為半導體而運作,而且水準能夠與非晶態矽比擬。但是,真的突出的是第三個產物的機械性質。

從特性上來看,鑽石是已知最硬的物質當中的其中一種。一種常見的硬度量測方法,維氏硬度試驗(Vickers hardness test),實際上就是使用鑽石尖端來對材料進行壓痕。若是材料越硬,則需要更大的力(單位為 GPa)來留下相當大的標記。若要在另一顆鑽石上留下刮痕,可能需要大約 60 到 100 GPa 的力,這取決於這顆鑽石是否是天然的、還是精細地在實驗室中做出來的。

玻璃態的材料 AM-III 在維氏硬度測試中所量測的硬度約介於 110 至 116 GPa 間,使其成為截至目前為止最硬的非晶固體。若將這個材料劃過天然鑽石的平滑表面,會留下一道清楚的線。

未來發展

要製造足夠這種材料來廣泛用於商業製程上會太過昂貴,以至於現在沒有多少人會願意付出這筆錢。但是,足夠的材料可能能及時被製造,以作為用於高壓環境下的矽電晶體的替代品。

有鑑於這種玻璃的研發是多麼具實驗性,很有可能還有更多能夠藉由在不同壓力與溫度下擠壓並烘烤其他碳的同素異形體(allotrope),比方說石墨烯(graphene),而發現的事物。

材料科學最近已經進入了碳時代,科學家們想出了巧妙的新方法,使用上以不同方式排列的碳原子的機械性質與電子性質。現在,還很難說我們會怎麼使用 AM-III,但是有一天,它可能會成為電子工程師最好的朋友。

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參考資料:

  1. McRae, M., (2021, August 13). Scientists Discover How to Make Glass So Hard, It Can Even Scratch Diamond. ScienceAlert
  2. Zhang, S. et al., (2021, August 05). Discovery of carbon-based strongest and hardest amorphous material. National Science Review. doi.org/10.1093/nsr/nwab140
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/this-record-new-type-of-glass-is-so-hard-it-can-even-scratch-diamond(圖:Zhang, et al., National Science Review, 2021)
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