Simulerade strukturer som visar utgångsmaterialet (vänster) av kol-60 "buckyballs" (magenta) och m-xylenlösningsmedel (blått) och dess superhårda form (höger) efter att ha komprimerats med mer än 400, 000 atmosfärers tryck inuti en diamantstädcell. Även om de krossade buckyballs är amorfa, lösningsmedlet bevarade materialets långväga kristallina ordning. Bild av Lin Wang, Carnegie Institution i Washington
(Phys.org) -- Ett team av forskare ledda av Carnegies Lin Wang har observerat en ny form av mycket hårda kolkluster, som är ovanliga i sin blandning av kristallin och oordnad struktur. Materialet kan indraga diamant. Denna upptäckt har potentiella tillämpningar för en rad mekaniska, elektronisk, och elektrokemiska användningar. Verket publiceras i Vetenskap den 17 aug.
Kol är det fjärde vanligaste grundämnet i universum och antar en mängd olika former - den bikakeliknande grafenen, pennan "bly" grafit, diamant, cylindriskt strukturerade nanorör, och ihåliga sfärer som kallas fullerener.
Vissa former av kol är kristallina, vilket innebär att strukturen är organiserad i upprepade atomenheter. Andra former är amorfa, vilket innebär att strukturen saknar långvägsordningen av kristaller. Hybridprodukter som kombinerar både kristallina och amorfa element hade inte tidigare observerats, även om forskare trodde att de kunde skapas.
Wangs team – inklusive Carnegies Wenge Yang, Zhenxian Liu, Stanislav Sinogeikin, och Yue Meng – började med ett ämne som kallas kol-60 burar, gjorda av välorganiserade kulor av kol konstruerade av pentagon- och hexagonringar bundna tillsammans för att bilda en rund, ihålig form. Ett organiskt xylenlösningsmedel placerades i utrymmena mellan kulorna och bildade en ny struktur. De applicerade sedan tryck på denna kombination av kolburar och lösningsmedel, för att se hur det förändrades under olika påfrestningar.
Ett optiskt mikrofotografi av en diamantstädsyta visar två "ringsprickor"-bucklor (magenta pilar) efter att den användes för att komprimera ett buckeyball/xylenmaterial med nästan 330, 000 atmosfärers tryck. Sprickorna indikerar att det krossade materialet är "superhårt"., det är, nästan lika hårt som diamant, världens hårdaste bulkmaterial. Bild av Lin Wang, Carnegie Institution i Washington
Vid relativt lågt tryck, kol-60-talets burstruktur fanns kvar. Men när trycket ökade, burstrukturerna började kollapsa till mer amorfa kolkluster. Dock, de amorfa klustren upptar fortfarande sina ursprungliga platser, bildar en gitterstruktur.
Teamet upptäckte att det finns ett smalt tryckfönster, cirka 320, 000 gånger den normala atmosfären, under vilken detta nya strukturerade kol skapas och inte studsar tillbaka till burstrukturen när trycket tas bort. Detta är avgörande för att hitta praktiska tillämpningar för det nya materialet framöver.
Detta material kunde göra indrag i diamantstädet som användes för att skapa högtrycksförhållanden. Det betyder att materialet är superhårt.
Om lösningsmedlet som används för att framställa den nya formen av kol avlägsnas genom värmebehandling, materialet förlorar sin gallerperiodicitet, vilket indikerar att lösningsmedlet är avgörande för att upprätthålla den kemiska övergången som ligger till grund för den nya strukturen. Eftersom det finns många liknande lösningsmedel, det är teoretiskt möjligt att en rad liknande, men lite annorlunda, kolgitter kan skapas med denna tryckmetod.
"Vi skapade en ny typ av kolmaterial, en som är jämförbar med diamant i sin oförmåga att komprimeras, "Wang sa. "En gång skapad under extrem press, detta material kan finnas under normala förhållanden, vilket innebär att den kan användas för ett brett spektrum av praktiska tillämpningar."
