Elması Kesebilecek Kadar Sert ve Güçlü Cam Üretmek Mümkün mü?

Atomik boyutlara inildiğinde, cam malzemeler karışık atom kümelerinden oluşur ve bu nedenle kolay kırılan bir yapıya sahiptirler. Peki bu karmakarışık atomlar düzenli bir hale getirilebilir mi?

Bu sayede, cam çatlamaya dayanıklı hale gelebilir mi?

Karbon çeşitli allotropik formları nedeniyle yapısal olarak en büyüleyici elementlerden biridir, bu nedenle yeni karbon formlarını keşfetmek, bilim insanlarının hep ilgisini çekmiştir. Çin'de bulunan Yanshan Üniversitesi'ndeki malzeme bilimcilerden oluşan ekip, yoğun basınç altında bile güçlü kalabilen olağanüstü özelliklere sahip bir cam oluşturmak için gereken kristalize ve amorf karbonun kritik oranını keşfetti. Bu sayede, atomları camın içine öyle bir şekilde yerleştirdiler ki ortaya çıkan malzeme elmasların gücüyle bile rekabet edebilir.

Elmasın sert olması karbon atomunun dörtlü bağ yapısından (sp3 hibritleşmesi) kaynaklanır. Her atom bir yanındaki karbon atomuyla bağ yapar ve katı bir köprü oluşturur. İşte bu nedenle elektronların akım taşıyacak bir boşluğu kalmadığından, elmas iyi bir yalıtkan haline gelir. Camsı katıların genellikle tekrar eden bir yapıları yoktur. Sıvı parçacıkların sıcaklığı yeterince düştüğünde, tüm yapı neredeyse aynı olur. Bununla birlikte, bileşenlerine bağlı olarak, camsı malzemeler şaşırtıcı bir yapıya sahiptir. Düzensiz hizalanmaları, onları belirli teknolojiler için daha uygun hale getiren çok çeşitli optik ve mekanik özelliklere de izin verir. Metal bazlı camlar, metal ve camın özelliklerini aynı anda taşırlar, hem metallerin sahip olmadığı kristal yapıya sahiptirler hem de iletkendirler. Araştırmacılar, bu temelden yola çıkarak karbon bazlı cam geliştirmeye çalıştılar.

Yanshan Üniversitesi'nden araştırmacılar karbon atomlarından bucky küreleri (buckyball) adı verilen molekülleri 25 gigapaskal (250,000 atm) basınç altında sıkıştırdı ve sonra onları 1000- 1200°C arasında pişirdi. Sonra AM-I, AM-II ve AM-III adını verdiği üç ürün üretti.

Doğal veya yapay bir elması çizmek için 60 ile 100 gigapaskal güç gerekir. Camsı AM-III malzemesi ölçüldüğünde, 110-116 gigapaskal arasında güce dayandığı gözlendi. Bu şimdiye kadar gözlenen en sert, şekilsiz katı oluyor. Doğal bir pırlanta üzerinde bir çizgi bırakabiliyor.

Üretilen amorf (AM) karbon malzemeler olağanüstü mekanik ve elektronik özelliklere sahiptir. Bu nedenle, şu an pahalı olsalar da gelecekte birçok alanda kullanılabilirler. Örneğin, yüksek basınçta kullanılan silisyum transistörlerin yerini alabilir.