Es könnte bald an der Zeit sein, diese sperrige Handyhülle abzuschaffen, da Wissenschaftler ein ultrahartes Glas entwickelt haben, das noch härter ist als natürliche Diamanten.
Das sogenannte Carbonglas, das auch die höchste Wärmeleitfähigkeit aller bekannten Gläser aufweist, wurde von Forschern um die chinesische Universität Jilin hergestellt.
Sie synthetisierten es, indem sie „Buckyballs“ – eine fußballähnliche Form von Kohlenstoff – in eine Ambosspresse legten und sie extremen Temperaturen und Drücken aussetzten.
Die unten abgebildete Probe wurde beispielsweise bei 30 GPa und 1.598 °F geformt, obwohl die Produktion bei niedrigeren Drücken und höheren Temperaturen möglich war und umgekehrt.
Die erreichte Härte von etwa 102 GPa macht es zu einem der härtesten derzeit bekannten Gläser, nach dem kürzlich synthetisierten AM-III-Kohlenstoff (113 GPa).
Es könnte bald an der Zeit sein, diese sperrige Handyhülle abzuschaffen, da Wissenschaftler ein ultrahartes Glas hergestellt haben, das noch härter ist als natürliche Diamanten. Im Bild: eine Probe des Kohlenstoffglases, etwa 1 Millimeter im Durchmesser, die bei 30 GPa und 1.598 ° F (870 ° C) geformt wurde
Das sogenannte Carbonglas, das auch die höchste Wärmeleitfähigkeit aller bekannten Gläser aufweist, wurde von Forschern um die chinesische Universität Jilin hergestellt. Im Bild: zunehmend vergrößerte Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahmen des neuen Carbonglases
“Die Herstellung eines Glases mit solch überragenden Eigenschaften wird die Tür zu neuen Anwendungen öffnen”, sagte die Autorin und Geochemikerin Yingwei Fei von der Carnegie Institution for Science in Washington.
„Die Verwendung neuer Glasmaterialien hängt von der Herstellung großer Teile ab, was in der Vergangenheit eine Herausforderung darstellte.
“Die vergleichsweise niedrige Temperatur, bei der wir dieses neue ultraharte Diamantglas synthetisieren konnten, macht die Massenproduktion praktikabler.”
Kohlenstoff kann eine Vielzahl von stabilen Formen annehmen, die sich aufgrund ihrer molekularen Struktur unterscheiden. Einige – wie Graphit und Diamant – sind stark strukturiert, während andere ungeordnet oder „amorph“ sind, wie normales Glas.
Die Härte jeder Form wird durch ihre inneren Bindungen bestimmt. Graphit zum Beispiel ist flockig, weil es eine zweidimensionale Anordnung von Bindungen mit Schichten von stark gebundenen Kohlenstoffatomen in einem flachen, hexagonalen Muster aufweist.
Diamant hingegen weist eine dreidimensionale Anordnung von Bindungen auf, die ihm eine gleichmäßigere Härte verleiht.
„Die Synthese eines amorphen Kohlenstoffmaterials mit dreidimensionalen Bindungen ist ein langjähriges Ziel“, erklärt Dr. Fei.
“Der Trick besteht darin, das richtige Ausgangsmaterial zu finden, um es unter Druck zu transformieren.”
Aufgrund seines extrem hohen Schmelzpunkts von sage und schreibe 4.027 °C (7280 °F) ist es unmöglich, Diamant als Ausgangspunkt für die Herstellung von diamantähnlichem Glas zu verwenden.
Stattdessen wandte sich das Team Buckminsterfulleren zu, einer Form von Kohlenstoff, die aus 60 Atomen besteht, die in einer hohlen, käfigartigen Struktur angeordnet sind, die einem Fußball ähnelt, was ihr den populären Namen “Buckyball” eingebracht hat.
Die Entdeckung der Buckyballs wurde 1996 mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt.
Aufgrund seines extrem hohen Schmelzpunkts von sage und schreibe 4.027 °C (7280 °F) ist es unmöglich, Diamant als Ausgangspunkt für die Herstellung von diamantähnlichem Glas zu verwenden. Stattdessen wandte sich das Team Buckminsterfulleren zu, einer Form von Kohlenstoff, die aus 60 Atomen besteht, die in einer hohlen Struktur angeordnet sind, die einem Fußball ähnelt, was ihr den populären Namen “Buckyball” eingebracht hat.
Um Buckminsterfulleren in ein diamantähnliches Kohlenstoffglas zu verwandeln, pressten und erhitzten die Forscher Buckyballs in einer sogenannten großvolumigen Multi-Amboss-Presse.
Dieser Prozess ließ die kugelförmigen Moleküle kollabieren, was zu einer lokalen Unordnung führte, während eine diamantartige Ordnung im Nah- bis Mittelbereich beibehalten wurde. Obwohl die resultierenden Gläser mit einem Durchmesser von etwa 1 mm klein waren, waren sie groß genug für die Charakterisierung.
Diese Entdeckungen tragen zu unserem Wissen über fortschrittliche amorphe Materialien und die Synthese von amorphen Massenmaterialien durch Hochdruck- und Hochtemperaturtechniken bei“, schloss das Team.
Die Ergebnisse, fügten sie hinzu, “können neue Anwendungen für amorphe Feststoffe ermöglichen”.
‘Für Jahrzehnte [our] Forscher waren an vorderster Front auf diesem Gebiet und verwendeten Labortechniken, um extreme Drücke zu erzeugen, um neuartige Materialien herzustellen’, kommentierte Richard Carlson, Direktor des Carnegie Earth and Planets Laboratory.
Die vollständigen Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
WIE „WACHSEN“ WISSENSCHAFTLER DIAMANTEN IN EINEM LABOR?
Diamanten haben ihren hohen Preis, weil sie sich über Millionen von Jahren unter hohem Druck und hohen Temperaturen tief in der Erdkruste bilden.
Aber eine Reihe von Unternehmen züchten die Edelsteine jetzt in Labors auf der ganzen Welt und drohen damit, die Diamantenindustrie aufzurütteln.
Ein kleiner „Saat“-Diamant dient als Gerüst für den Prozess.
Wissenschaftler legen dieses Saatgut zunächst in eine Vakuumkammer, um Verunreinigungen aus der Luft zu entfernen.
Im Labor hergestellte Edelsteine drohen die Diamantenindustrie zu verärgern, wobei mehrere Unternehmen weltweit die Steine für Schmuck anbauen. In diesem Bild enthüllt die CEO von Pure Grown Diamonds, Lisa Bissell, 2015 in New York einen im Labor kultivierten Diamanten
Dann leiten sie Wasserstoff- und Methangashitze auf 3.000 °C (5400 °F) in die Kammer, um ein hochgeladenes Gas zu erzeugen, das als Plasma bekannt ist.
Die Gase brechen schnell auseinander und setzen Kohlenstoffatome aus dem Methan frei, das sich auf dem Diamantensamen angesammelt hat.
Diese Atome kopieren auf natürliche Weise die Kristallstruktur des organischen Diamanten, der ebenfalls aus Kohlenstoffatomen besteht.
Jeder Kunststein wächst mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,0002 Zoll (0,006 mm) pro Stunde.