Krystaller fra kaos:Fysikere observerer ny form for kulstof

(Phys.org) - Et team af videnskabsmænd ledet af Carnegies Lin Wang har observeret en ny form for meget hårde kulstofklynger, som er usædvanlige i deres blanding af krystallinsk og uordnet struktur. Materialet er i stand til at indrykke diamant. Denne opdagelse har potentielle anvendelser for en række mekaniske, elektronisk, og elektrokemiske anvendelser. Værket er udgivet i Videnskab den 17. august.

Kulstof er det fjerde mest udbredte grundstof i universet og antager en bred vifte af former - den honeycomb-lignende grafen, blyanten "bly" grafit, diamant, cylindrisk strukturerede nanorør, og hule kugler kaldet fullerener.

Nogle former for kulstof er krystallinsk, hvilket betyder, at strukturen er organiseret i gentagne atomare enheder. Andre former er amorfe, hvilket betyder, at strukturen mangler den lange rækkefølge af krystaller. Hybride produkter, der kombinerer både krystallinske og amorfe elementer, var ikke tidligere blevet observeret, selvom forskerne troede, at de kunne skabes.

Wangs team – inklusive Carnegies Wenge Yang, Zhenxian Liu, Stanislav Sinogeikin, og Yue Meng - startede med et stof kaldet kulstof-60 bure, lavet af højt organiserede kugler af kulstof bygget af femkantede og sekskantede ringe bundet sammen for at danne en rund, hul form. Et organisk xylenopløsningsmiddel blev anbragt i mellemrummene mellem kuglerne og dannede en ny struktur. De påførte derefter tryk på denne kombination af kulstofbure og opløsningsmiddel, for at se, hvordan det ændrede sig under forskellige belastninger.

Ved relativt lavt tryk, carbon-60'ernes burstruktur forblev. Men efterhånden som presset steg, burstrukturerne begyndte at kollapse til mere amorfe kulstofklynger. Imidlertid, de amorfe klynger optager stadig deres oprindelige steder, danner en gitterstruktur.

Holdet opdagede, at der er et smalt trykvindue, omkring 320, 000 gange den normale atmosfære, hvorunder dette nye strukturerede kulstof skabes og ikke hopper tilbage til burstrukturen, når trykket fjernes. Dette er afgørende for at finde praktiske anvendelser til det nye materiale fremover.

Dette materiale var i stand til at indrykke diamantambolten, der blev brugt til at skabe højtryksforholdene. Det betyder, at materialet er superhårdt.

Hvis opløsningsmidlet, der bruges til at fremstille den nye form for kulstof, fjernes ved varmebehandling, materialet mister sin gitterperiodicitet, hvilket indikerer, at opløsningsmidlet er afgørende for at opretholde den kemiske overgang, der ligger til grund for den nye struktur. Fordi der er mange lignende opløsningsmidler, det er teoretisk muligt, at en række lignende, men lidt anderledes, kulstofgitter kunne skabes ved hjælp af denne trykmetode.

"Vi skabte en ny type kulstofmateriale, en, der kan sammenlignes med diamant i sin manglende evne til at blive komprimeret, " sagde Wang. "Engang skabt under ekstremt pres, dette materiale kan eksistere under normale forhold, hvilket betyder, at den kan bruges til en bred vifte af praktiske anvendelser."