Yingwei Fei e Lin Wang della Carnegie hanno fatto parte di un team di ricerca internazionale che ha sintetizzato una nuova forma ultra dura di vetro al carbonio con una ricchezza di potenziali applicazioni pratiche per dispositivi ed elettronica. È il vetro più duro conosciuto con la più alta conduttività termica tra tutti i materiali in vetro. I loro risultati sono stati pubblicati su Nature.
La funzione segue la forma quando si tratta di comprendere le proprietà di un materiale. Il modo in cui i suoi atomi sono chimicamente legati l'uno all'altro, e la loro risultante disposizione strutturale, determina le qualità fisiche di un materiale, sia quelle che sono osservabili ad occhio nudo che quelle che sono rivelate solo da indagini scientifiche.
Il carbonio non ha rivali nella sua capacità di formare strutture stabili, da solo e in combinazione con altri elementi. Alcune forme di carbonio sono altamente organizzate, con reticoli cristallini ripetuti. Altri sono più disordinati, una qualità definita amorfa.
Il tipo di legame che tiene insieme un materiale a base di carbonio determina la sua durezza. Ad esempio, la grafite morbida ha legami bidimensionali e il diamante duro ha legami tridimensionali.
"La sintesi di un materiale di carbonio amorfo con legami tridimensionali è stato un obiettivo perseguito a lungo", ha spiegato Fei. "Il trucco è trovare il giusto materiale di partenza da trasformare con l'applicazione della pressione."
"Per decenni i ricercatori della Carnegie sono stati in prima linea nel campo, utilizzando tecniche di laboratorio per generare pressioni estreme in grado di produrre nuovi materiali o imitare le condizioni trovate in profondità all'interno dei pianeti", ha aggiunto Richard Carlson, direttore del Carnegie Earth and Planets Laboratory.
A causa del suo punto di fusione estremamente elevato, è impossibile utilizzare il diamante come punto di partenza per sintetizzare il vetro simile al diamante. Tuttavia, il team di ricerca, guidato da Bingbing Liu della Jilin University e Mingguang Yao, un ex studioso in visita alla Carnegie, ha è riuscito nell'impresa utilizzando una forma di carbonio composta da 60 molecole disposte in modo da formare una palla cava. Informalmente chiamato buckyball, questo materiale vincitore del premio Nobel, è stato riscaldato quel tanto che basta per far collassare la sua struttura simile a un pallone da calcio, in modo da indurre disordine, prima di trasformare il carbonio in diamante cristallino sotto pressione.
Il team ha utilizzato una pressa di grande volume per sintetizzare il vetro simile al diamante. Le sue proprietà sono state confermate utilizzando una varietà di tecniche avanzate, ad alta risoluzione, per sondare la struttura atomica. "La creazione di un vetro con proprietà così superiori aprirà le porte a nuove applicazioni", ha spiegato Fei. "L'uso di nuovi materiali in vetro dipende dalla realizzazione di pezzi di grandi dimensioni, che in passato ha rappresentato una sfida. La temperatura relativamente più bassa a cui siamo stati in grado di sintetizzare questo nuovo vetro diamantato ultra duro rende la produzione di massa più pratica".