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坚硬如石、弹如橡胶的新型碳结构

发布:opticsOJ    |    2017-06-15 08:30    阅读:254
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如图所示,在一种新型压缩玻璃碳中,曲面或石墨层(黑色球体)层之间形成不同类型的类金刚石连接(红色球体)的可视化模型。

一个包括几位来自卡耐基大学的科学家组成的研究小组已经开发出一种结构形式超强的轻质碳,这种结构同时也具有很好的弹性和导电性。具有这种独特性能组合的材料可以在从航空航天工程到军用装甲等领域实现多种用途。

碳是一种具有看似无限可能的元素。这是因为它的电子结构能够允许实现大量自键的结合,从而产生一系列不同性质的材料。例如,用于铅笔和工业润滑剂、透明超硬的钻石和不透明石墨都是由碳组成的。

由燕山大学和卡耐基大学联合进行这项研究,研究人员包括Zhisheng Zhao Timothy Strobel, Yoshio Kono, Jinfu Shu, Ho-kwang "Dave" Mao, Yingwei Fei和Guoyin Shen等在内的科学家,这是一项国际合作,给结构无序的碳加压和加热形成一种叫做玻璃碳的结构。玻璃碳起始材料被引入到常压的250000倍左右的压力下,并加热到大约1800华氏度,形成新的强而有弹性的碳。他们的这项研究发现已经由《科学进展》杂志发表。

科学家以前曾尝试将玻璃碳在室温下(称为冷压缩)和极高温度下施加高压。但是所谓的冷合成材料,在回到正常环境压力下是无法维持其结构的,而在极热条件下就形成了纳米金刚石。

上图所示,超强且具有弹性的压缩玻碳材料示意图。示意图下是所述材料的电子显微镜图像。

新产生的碳由石墨类和类金刚石结合基组成,从而产生了独特的性能组合。在高压合成条件下,玻碳内的无序层进行各种形式的扭曲并且相互融合,以多种方式连接在一起。这个过程创造了一个整体结构,但缺乏一个长期的空间秩序,在空间上是一个位于纳米尺度的短距离的空间组织。

“像这种,具有高强度和高弹性的轻质材料,其重量较轻的特性在应用中是非常有前景的,即使制作材料的成本更大,” Zhisheng Zhao解释说,他曾在卡耐基大学供职,目前是燕山大学的教授。“更重要的是,我们相信,这种合成方法可以进一步更新,以创造其他特殊形式的碳和完全不同类别的材料。”

上图所示,通过混合SP2/SP3通道来看,在压缩玻璃碳中夹杂石墨。石墨烯状的薄片(蓝色球体)在类似钻石的节点(红色球体)上交联。

来源:实验帮

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