手机砸核桃?中国超硬玻璃就能做到~够刚!

说到世界上最硬的物质,大家第一个想到的就应该是钻石:规律性排列的晶体结构赋予了钻石坚硬的品质,但它在硬物撞击下也容易发生碎裂(www.xiuzu.net)。而看似没有规律的玻璃态则在小范围内具有独特的秩序性。,最近,利用可调变的秩序性,中国科学家创造出了最硬的玻璃,它甚至可以划伤钻石,还不易碎裂。

在 150 千米深的地球内部,坚硬的岩石早已在高温高压下部分熔化。这里的温度超过 1000 ℃,压力更是相当于地表的 5 万倍。在犹如炼炉的环境中,自然界中最美妙的转变正在进行。经过数亿年的时间,平平无奇的六边形石墨晶体逐渐转变成了晶莹剔透的天然金刚石(钻石)——这不仅是无数人幸福婚姻的见证,也是自然界最坚硬的物质

金刚石极其坚硬的原因在于其分子结构。在金刚石中,每个碳原子的杂化方式都是 sp3 杂化。也就是说,分布在这 4 个杂化轨道上的价电子,会分别与另外 4 个碳原子的价电子结合形成共价键,构成正四面体。正是这样牢固而紧密的立体结构,赋予了金刚石极高的硬度。同时,金刚石中所有的价电子都参与了共价键的形成,没有自由电子,这种特殊的晶体结构使得金刚石不具导电性

虽然金刚石的硬度在自然界可谓无敌,但如果你将钻戒砸向地面,却有可能目睹钻石的裂缝,甚至是粉身碎骨。这是因为金刚石虽硬却脆,在遇到硬物撞击时容易碎裂。事实上,对于超硬晶体材料来说,硬度和韧性往往不可兼得。这主要归根于金刚石的原子晶体结构:金刚石晶体由周期性重复排列的结构单元构成,正是这种有序性使得晶体不同朝向的结构各不相同,晶体的硬度也随着晶向的变化而呈现各向异性,那些 " 较软 " 的晶面就成为了金刚石的 " 软肋 "

在材料领域,一个与 " 晶体 " 相对应的概念是 " 玻璃 "。与有序的晶体相反,玻璃态,也就是非晶体材料具有相对无序的结构,只在几个原子的小区域内具有短程有序性。这种具有一定秩序的混乱结构会呈现什么意想不到的性能?最近,在一项发表于《国家科学评论》(NSR)杂志的研究中,来自燕山大学的研究团队就研制出了一种全新的玻璃材料——不仅硬度超过了金刚石,并且具备金刚石不具备的韧性,以及半导体特性

团队使用的原材料是富勒烯(C60)。富勒烯的碳原子都是 sp2 杂化,结构规整,具有高度的对称性。因此,在 800 ℃下,5GPa 的压力就足以破坏富勒烯高度对称的结构。1200 ℃时形成的sp3杂化程度最高、最为致密的 AM-III格外引人关注。对 AM-III 的力学性质测定显示,其维氏硬度(HV)高达 ~113GPa,可以刻划维氏硬度为 103GPa 的单晶金刚石晶面。除了超高的硬度之外,AM-III 的强度也可以与金刚石相媲美:这种材料的表面能承受高达 ~70GPa 的压力而不会出现裂痕。这是迄今为止发现的最硬、最强的玻璃态的碳

让人心碎的碎屏险

随着手机、平板电脑等电子产品越来越轻薄、屏幕越来越大,对盖板玻璃的各项性能要求也越来越高。在盖板玻璃的抗摔性测试方面,主流的方法是将样机在一定高度下自由掉落,然后统计盖板玻璃的破碎情况。

2018年,美国康宁公司宣布第六代大猩猩玻璃研制成功。根据康宁公司的实验室数据,第六代大猩猩玻璃从一米的高度跌落到粗糙的平面上,可以经受15次摔打而不破损的测试。根据市场调查指出,人们平均每年手机意外掉落的次数约为7次。使用康宁第六代大猩猩玻璃,在不需要手机壳和钢化膜的情况下,仍可“大咧咧”使用两年。这一度让使用第六代大猩猩玻璃成为不少智能手机的“卖点”。尽管如此,“碎屏险”仍是不少人买手机时的标配。看来,用户依然亟须“硬核”的技术造就更“坚强”的手机。

玻璃的硬度、模量和断裂韧性取决于材料的组分和微观结构。通常情况下,选取具有高解离能的氧化物组元(如三氧化二铝),并通过优化制备工艺调控增大原子堆积密度,有利于提高玻璃力学性能,但同时会导致玻璃形成能力的严重下降。

现有的手机屏幕、平板电脑屏幕的盖板玻璃,按组分不同可以分为高铝玻璃(以大猩猩六代玻璃为代表)和钠钙玻璃两种,相比而言,前者具有更好的性能,但这两种玻璃有一个共性,就是组分里都含有较多的网络形成体(如SiO2、B2O3)等。

而相比之下,玻璃样品不含网络形成体,同时引入高熵材料的设计理念,在玻璃中加入氧化钛、氧化锆等能够改变微观配位数的组元,共同组成玻璃的主体。这种新玻璃在微观结构上与传统玻璃的最大不同在于具有较高的配位数,由此可以带来优异的性能。

超硬玻璃的应用前景

除了超硬、超强的力学性质外,AM-III 也是半导体,它的带隙(导带的最低点与价带的最高点的能量之差)范围为 1.5~2.2eV,与最常用的半导体非晶硅薄膜的带隙相当。因此,这种结合了优越的力学性能与半导体性能的新型 " 玻璃 " 有望在光伏(将太阳能转化为电能)领域大展身手。

这不是该团队第一次在超硬材料领域进行这样创新的尝试。现在,新的实验揭示了无序玻璃可以媲美有序晶体的可能性。一步一步解构晶体结构,再形成新的化学键,最终得到结构无序、不完美的玻璃态。这些本质上具有独特秩序的混乱结构,却能带来惊喜,甚至有可能超越有序的完美晶体。它让科学家看到利用混乱中的秩序,可以将 " 玻璃 " 的特性发挥到极致。

盖板玻璃的抗摔程度综合反映了脆性和断裂韧性参数,和硬度也有一定的关系。目前,我们的样品还处于实验室阶段,没有对玻璃的抗摔性进行测试。尽管还没有进行抗摔性测试,但这种玻璃样品的断裂韧性(描述材料抵抗裂纹扩展能力的物理量)测试指标高于大猩猩六代玻璃,这在一定程度上说明样品在后期整机装样测试时,会取得比较好的抗摔性。”

一个走向市场的成熟产品不仅需要某些突出的优点,还需要各方面性能有较好的均衡。对于盖板玻璃,除了模量以外,往往还要求玻璃具有良好的透过性、脆性、断裂韧性等,此外,制备工艺的复杂性和成本也是影响其应用的重要因素。当然,对于中国科技的信任,我们坚信超硬玻璃的应用前景一定是不可限量的~

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