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Una pieza de vidrio AM-III de 1 mm de ancho dejó marcas de arañazos en la superficie de un diamante natural. Foto: Revista Nacional de Ciencias

El vidrio se asocia con fragilidad y fragilidad más que con fuerza. Sin embargo, los investigadores en China pudieron crear un nuevo material amorfo transparente que es tan fuerte y duro que puede rayar los diamantes. Además, este vidrio de alta tecnología tiene una banda prohibida de semiconductores, lo que lo hace atractivo para los paneles solares.

El material amorfo más fuerte del mundo.

El diamante, el material más duro conocido hasta la fecha en el universo, se usa a menudo en herramientas para cortar vidrio. Pero las tornas han cambiado.

Las pruebas mecánicas exhaustivas demuestran que el carbono AM-III sintetizado es el material amorfo más duro y fuerte conocido hasta el momento, que puede rayar el cristal de diamante y acercarse a su fuerza. Los materiales de carbono AM producidos combinan propiedades mecánicas y electrónicas sobresalientes, y pueden usarse potencialmente en aplicaciones fotovoltaicas que requieren resistencia ultra alta y resistencia al desgaste, escribieron los autores del nuevo estudio.

El nuevo material desarrollado por científicos de la Universidad de Yanshan en la provincia de Hebei, China, se denomina tentativamente AM-III y obtuvo una calificación de 113 gigapascales (GPA) en la prueba de dureza Vickers. La dureza Vickers, una medida de la dureza de un material, se calcula a partir del tamaño de una impresión producida bajo carga por un indentador de diamante en forma de pirámide.

Eso es más que muchos diamantes naturales que tienen un puntaje Vickers en el rango de 70-100 GPa, pero menos que los diamantes más duros que pueden tener un puntaje de hasta 150 GPa.

Es aproximadamente diez veces más duro que el acero dulce y podría ser de 20 a 100 veces más resistente que la mayoría de las ventanas a prueba de balas.

Con forma de diamantes, parece vidrio.

Al igual que los diamantes, AM-III está hecho principalmente de carbono. Pero mientras que los átomos de carbono en el diamante están ordenados en una red cristalina ordenada, el vidrio tiene una estructura interna caótica típica de un material amorfo. Esta es la razón por la que el vidrio suele ser débil, pero el AM-III tiene microestructuras en el material que parecen ordenadas, como los cristales. Entonces, AM-III es en parte vidrio, en parte cristal, lo que explica su fuerza.

Para fabricar AM-III, los investigadores chinos tuvieron que emplear un proceso que es aún más complicado que la fabricación de diamantes artificiales. El método más común para crear diamantes sintéticos que se usa en la industria se llama alta presión, alta temperatura (HPHT). Durante HPHT, el carbono está sujeto a altas temperaturas y presiones similares a las que llevaron a la formación de diamantes naturales en las profundidades de la Tierra, alrededor de 1.300 grados Celsius (1650 a 2370 grados Fahrenheit) y una presión 50.000 veces mayor en la superficie.

En lugar de grafito, la materia prima de los diamantes artificiales, los investigadores chinos comenzaron con fullereno, también llamado buckminsterfullereno. Estas moléculas contienen al menos 60 átomos de carbono, comúnmente denominados C60, dispuestos en una red que puede tener forma de bola o esfera y, por lo general, tienen un diámetro de 1 nm.

Estos balones de carbono suelen ser suaves y blandos. Pero después de someterse a un gran calor y presión, las bolas de carbón se trituran y se mezclan.

El fullereno se sometió a una presión de aproximadamente 25 GPa y 1200 grados Celsius (2192 grados Fahrenheit). Sin embargo, los investigadores tuvieron cuidado de alcanzar estas condiciones muy gradualmente, tomándose su tiempo en el transcurso de unas 12 horas. Someter inmediatamente el material a alta presión y calor puede haber convertido las bolas de carbón en diamantes.

El material transparente resultante no solo es duro, sino también un semiconductor, con un rango de banda prohibida casi tan efectivo como el silicio, el principal semiconductor utilizado en la electrónica. Entonces, además del vidrio a prueba de balas, podría resultar útil en la industria de los paneles solares, donde sus propiedades pueden brillar al permitir que la luz del sol llegue a las células fotovoltaicas, al tiempo que mejora la vida útil del producto.

AM-III fue descrito en un estudio reciente publicado en la revista National Science Review.

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