На микроскопическом уровне стекло представляет собой аморфную смесь атомов, что делает его подверженным деформациям и разрушению. Команда материаловедов из Яньшанского университета в Китае открыла способ организации атомов для создания стекла, способного потягаться в прочности и твёрдости с алмазами. Инновационный материал получил название AM-III.

Как правило, механические характеристики материалов зависят от того, как между собой взаимодействуют «строительные блоки» в их структуре – атомы. Твёрдость алмаза определяет прочная связь атомов углерода: в кристаллической решётке минерала они находятся в состоянии sp³-гибридизации. Таким образом каждый атом углерода находится в центре тетраэдра, вершины которого представлены четырьмя ближайшими атомами. Прочная связь атомов углерода также ограничивает пространство для передвижения электронов, из-за чего алмаз в нормальном состоянии практически не проводит электричество.

В противовес безупречной кристаллической решётке алмаза структура стекла скорее напоминает одномоментно застывшую жидкость. Впрочем, в зависимости от «ингредиентов» разрозненная структура стеклообразующих составов может придавать конечному продукту различные механические и оптические свойства. К примеру, стёкла на основе элементов подгруппы железа – так называемые аморфные металлы – демонстрируют высокую проводимость и прочность, недоступную кристаллическим металлам. Эксперты из Яньшанского университета попробовали представить себе, какими были бы свойства углеродного стекла. В рамках своего исследования они стали экспериментировать с фуллеренами – молекулярными соединениями трёхкоординированных атомов углерода. Фуллерены представляет собой замкнутые многогранники, напоминающими футбольный мяч – их также называют бакиболами по имени архитектора, дизайнера, инженера и изобретателя Ричарда Бакминстера Фуллера. Для исследования китайские материаловеды выбрали самый распространённый вариант фуллерена С₆₀.

В ходе испытаний учёные подвергали бакиболы давлению в 25 ГПа, постепенно «запекали» полученную углеродную кашу при температурах от 1000 до 1200 °С и медленно охлаждали её. Итогом эксперимента стали материалы, названные AM-I, AM-II и AM-III. Далее исследователи подвергли полученные материалы череде тестов и определили, что все они демонстрируют свойства полупроводников на уровне, сравнимом с проводимостью аморфного кремния. В ходе испытаний материаловеды обнаружили выдающиеся механические свойства AM-III.

Алмаз признан самым твёрдым по шкале эталонных минералов твёрдости Мооса. К слову, по методу Виккерса твёрдость металлов и сплавов определяется путём вдавливания в исследуемый материал алмазной пирамиды. Чем твёрже тестовый образец, тем большая нагрузка необходима, чтобы оставить на материале видимый след. Для повреждения алмаза нужно применить нагрузку в 60 – 100 ГПа, в зависимости от происхождения минерала (натуральный или синтетический). Созданный учёными Яньшанского университета материал AM-III оказался ещё более стойким: в тесте по методу Виккерса он выдержал нагрузку в 110 – 116 ГПа, что делает его самым твёрдым аморфным материалом. Более того, фрагмент инновационного материала оставил на плоской грани натурального алмаза заметную царапину.

Итогом исследования китайских учёных стало выведение критических пропорций «порядка и хаоса» – кристаллизованного и аморфного углерода для создания стекла, обладающего уникальными свойствами и не теряющего их даже под интенсивным давлением. Материаловеды осознают, что, несмотря на потенциал AM-III, в настоящее время производство материала в промышленных масштабах финансово нецелесообразно. Впрочем, уже сейчас имеется достаточно ресурсов для создания ограниченного запаса материала, способного послужить заменой для кремниевых транзисторов, которые необходимо эксплуатировать в экстремальных условиях высокой температуры и давления. Кроме того, исследователи видят потенциал применения материала AM-III в фотоэлектрических устройствах, требующих повышенной прочности и износостойкости. Учёные также не исключают возможности продолжения экспериментов с другими аллотропами углерода (например, с графеном) в более широком спектре нагрузок и температур для получения материалов с кардинально новыми механическими и электрическими свойствами.