Школьную программу пора переписывать: алмаз — больше не самое твердое вещество во вселенной. Китайские ученые сумели «вырастить» материал, который может разрезать алмаз, словно нож масло. А скоро их лаборатории Уханьского университета должны выйти еще более диковинные вещества-химеры.
Величайший материаловед на планете живет в Китае
Благодаря непрерывному прогрессу науки и техники в мире появилось много удивительных материалов. И на пике прогресса — китайцы. Академик Тянь Юнджун считается величайшим материаловедом на планете. Именно этот ученый уже синтезировал несколько веществ, которые могут поспорить по твердости с алмазом — например, кубический нитрид бора и фуллерен.
Фуллерен, как и алмаз, состоит из атомов углерода. Правда, секрет прочности — не «начинка», а «упаковка», а именно кристаллическая структура. Фуллерен — это так называемый молекулярный кристалл. В узлах его решетки не отдельные атомы углерода (как, например, у алмаза), а целые молекулы. Фуллерен даже может поцарапать алмазную поверхность.
Твердость материалов измеряется по отношению к алмазу. Натуральные алмазы имеют твердость до 150 гигапаскалей. За годы исследований материаловеды разгадали секреты, за счет чего любое вещество становится прочным.
Материал должен быть идеально чистым (без примесей), а кристаллические зерна — небольших размеров (в алмазе, например, 2−5 нм). Атомные связи в кристаллической решетке при давлении могут перераспределяться так, чтобы материал не менял структуру.
Кристаллы алмаза состоят из периодически повторяющихся структурных единиц. Правда, твердость такой структуры различна по разным направлениям: поцарапать алмаз почти невозможно, а вот разбить — вполне.
Антипод кристалла — это стекло. Его молекулярная структура аморфная, хаотическая. Именно поэтому, например, стекло может проводить электрический ток. Стекло считается не хрупким, а вязким — в этом секрет его прочности.
Волшебное стекло нужно везде — от биосенсоров до марсоходов
Где только сейчас не применяют стеклянные материалы! Это еще недавно казалось, что из стекла можно делать только окна и чайные чашки. А теперь, например, китайская компания China Glass запускает свои материалы в космос, опускает на дно Мирового океана и поднимает на вершину Эвереста.
Стекло используют в солнечной энергетике: оно нужно для фотоэлектрических элементов, солнечных коллекторов и модулей для выработки фотоэнергии. Правда, конечно, это не обычное кварцевое стекло, а специальное — термостойкое, сверхпрочное, с абсолютной прозрачностью. Такое, как уже знакомое нам «уханьское».
Используют стекло в автомобильной и авиационной промышленности. И не только чтобы делать лобовые и приборные стекла. Без стекла невозможно представить смартфоны и телевизоры. Стекло используется даже в таких, казалось бы, неочевидных областях, как биомедицина и химическая промышленность. Стекло нужно, чтобы выпускать биосенсоры, которые могут точно определять важные медицинские показатели — артериальное давление и уровень сахара в крови.
Китайские ученые более 10 лет бились над тем, чтобы создать «уханьское стекло». Ведь задача перед экспериментаторами стояла непростая: сделать вещество-химеру, которое бы сочетало твердость кристалла и вязкость стекла.
Китайцы задумались создать еще и «германиевое чудо»
Уханьским исследователям пришлось перепробовать сотни материалов и провести тысячи тестов. И разгадку найти сумели. Уханьские ученые синтезировали сверхпрочный кристалл, а затем стали его деформировать. Вещество «запекали» при температуре несколько тысяч градусов под гигантским давлением. В таких же условиях в земных недрах и формировались сверхпрочные минералы.
При повышении температуры кристаллическая структура постепенно разрушается, «перетекая» в стекло. Получившееся в результате экспериментов «уханьское стекло» оказалось сверхтвердым: оно может выдерживать высокое давление и трение, сохраняя структурную целостность. Также это вещество абсолютно прозрачное. И, что крайне важно, оно имеет свойства полупроводника.
Ширина запрещенной зоны такая же, как у наиболее часто используемых полупроводников (например, кремния). Таким образом, ожидается, что новый материал можно использовать, например, в фотогальванике.
«Уханьское стекло» будут применять в датчиках кислорода, в двигателях мотоциклов и автоматических коробках передач велосипедов.
Китайские ученые останавливаться не намерены — будут и дальше «скрещивать» разные физико-химические структуры, чтобы получать гибридные материалы. Они могут быть на основе не только привычного углерода или кремния, но и похожего на них, но более редкого германия.
Китайские ученые будут не только синтезировать новые вещества, но и исследовать природные. Один из самых твердых минералов на Земле — лонсдейлит (тоже модификация углерода) — нашли на месте падения метеоритов в Калифорнии. Лонсдейлит «испекся» при адской температуре, которую почти невозможно повторить в лаборатории.
