L’uso di un diamante per tagliare il vetro non è una novità, ma un team di ricerca nel nord della Cina ha recentemente sviluppato il materiale vetroso più duro al mondo, super resistente, che può lasciare facilmente un graffio profondo perfino sulla superficie di un diamante.
Il vetro più resistente troverà ampie applicazioni nell’industria hi-tech
L’AM-III, così chiamato provvisoriamente, un materiale (fatto interamente di carbonio) di colore giallastro, in un test di durezza Vickers ha raggiunto i 113 gigapascal (GPa). Al suo confronto, una pietra di diamante naturale di solito segna da 50 a 70, con alcuni pezzi artificiali che raggiungono i 100 GPa.
Anche se la produzione di massa potrebbe essere lontana diversi anni, e il prezzo è improbabile che sia economico, una finestra antiproiettile realizzata con l’AM-III potrebbe essere da 20 a 100 volte più resistente di alcuni prodotti tradizionali attualmente in uso.
Il nuovo materiale vetroso non sembra attraente come lo sono i gioielli, ma ha alcune ampie applicazioni nell’industria hi-tech, dicono i ricercatori.
L’AM-III potrebbe essere un candidato per l’uso di dispositivi fotoelettrici, comprese le armi
L’AM-III, per esempio, è un semiconduttore efficiente quasi quanto il silicio. Questa capacità di trasferire corrente elettrica a piacimento lo rende un forte candidato per l’uso in dispositivi fotoelettrici, comprese le armi, che devono funzionare in ambienti estremi come alta pressione e temperature.
“L’emergere di questo tipo di materiale di carbonio amorfo ultraduro, ultraforte e semiconduttore offre ottimi candidati per le applicazioni pratiche più impegnative“, ha affermato il professor Tian Yongjun e i colleghi del Center for High Pressure Science dell’Università di Yanshan a Qinhuangdao, nella provincia di Hebei, in un documento pubblicato nella rivista National Science Review giovedì.
Il diamante è un cristallo. Nei cristalli, gli atomi e le molecole si allineano in perfetto ordine e direzione. Ma se ci sono più ordini e direzioni, la struttura interna si trasforma in disordine e il materiale diventa vetro, generalmente debole.
Ma l’AM-III non è strettamente un pezzo di vetro, ma un bicchiere con cristalli all’interno, secondo Tian e colleghi.
I diamanti artificiali prodotti con grafite economica
Al microscopio, le strutture più dettagliate del materiale sono apparse in ordine, proprio come lo sono i cristalli. Ma rimpicciolirli un po’ cambierebbe l’immagine, rendendola un caos completo che assomiglia a innumerevoli vermi congelati in un piatto.
Secondo i ricercatori, questa combinazione di ordine e disordine potrebbe conferire a un materiale alcuni tratti insoliti. Hanno prodotto numerosi tipi di nuovi materiali con diverse combinazioni di ordine e disordine. L’AM-III aveva la più alta proporzione di atomi e molecole per raggiungere la massima forza.
Tuttavia, le strutture ordinate non potrebbero aumentare ulteriormente, perché trasformerebbe il materiale in diamante e ucciderebbe la semiconduttività e alcune altre proprietà che potrebbero esistere solo nei materiali in stato caotico.
Nel 2013, il team di Tian ha creato il materiale più duro al mondo che potesse essere visto ad occhio nudo, un cristallo di nitruro di boro due volte (200 GPa) duro come il diamante, e il record è ancora valido. Ma per certi versi, realizzare un vetro super resistente era più complicato del cristallo.
I diamanti artificiali sono prodotti da grafite economica sotto calore e pressione. La produzione di AM-III richiede fullerene, un materiale più sofisticato costituito da molecole simili a palloni con una struttura cava costituita da atomi di carbonio.
Il fullerene era così morbido che veniva utilizzato perfino in alcuni prodotti cosmetici. Sotto l’aumento del calore e della pressione, tuttavia, i “palloni” di carbonio verrebbero schiacciati e mescolati insieme.
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Tian e colleghi hanno aumentato la pressione nella camera sperimentale a 25 GPa e la temperatura a 1.200 gradi Celsius (2.192 gradi Fahrenheit). Alcune altre squadre avevano temprato con fullerene prima, ma nessuna ha provato condizioni così estreme perché temeva che avrebbe trasformato il materiale in diamante.
L’esperimento avrebbe potuto fallire in fretta, secondo il team cinese. Hanno impiegato più di 12 ore ad aumentare gradualmente il calore e la pressione al massimo, impiegando la stessa quantità di tempo e lasciando che il materiale si raffreddasse lentamente.
C’è stata un’accesa competizione per creare materiali super-duri nel mondo, ma l’AM-III è nato dalla cooperazione internazionale. Scienziati provenienti da diversi paesi, tra cui Svezia, Stati Uniti, Germania e Russia, hanno partecipato all’esperimento in Cina.
Questi collaboratori esteri hanno aiutato il team cinese a proporre nuove idee e ad analizzare i dati.
Gli scienziati hanno creato molti materiali resistenti. Il grafene, ad esempio, in teoria può resistere a più di 400 GPa. Ma tale forza esiste solo quando il materiale è spesso un atomo. Impilare molti strati di grafene insieme lo trasformerebbe in una grafite morbida e ordinaria.
L’AM-III può essere prodotto in varie forme e dimensioni
Di conseguenza, le applicazioni di molti materiali superduri erano limitate a un sottile rivestimento sulla superficie di un altro materiale. Tuttavia, l’AM-III può essere prodotto in varie forme e dimensioni. E a differenza del diamante, che ha alcune superfici deboli a causa del singolare allineamento dei suoi atomi, è duro tutt’intorno.
Secondo i ricercatori, queste proprietà aumenteranno ulteriormente il potenziale delle sue applicazioni.
