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最近,美国卡内基研究院与内布拉斯加大学林肯分校科学家合作,创造出一种碳的新形式,混合了晶体和非晶体两种结构,是一种“有序化的无序排列”,堪称“浑沌”晶体。这种材料非常坚硬,能在钻石上留下凹痕。这一发现在机械力学、电子学、电气化学等领域都有着广泛应用前景。
碳元素在宇宙中含量排第四,仅次于氢、氮和氧,以多种形式存在:石墨、钻石、单层蜂窝状的石墨烯、圆柱形纳米管,还有笼子形状的富勒烯(也叫“巴基球”)。这些碳有些以晶体形式存在,即碳原子的单位结构不断重复,排列成有规律的结构;另一种则是非晶体。此外,科学家认为还可能有晶体与非晶体的混合形式存在,但以前从未观察到过。
该研究由卡内基研究院的王林(音译)领导。他们在巴基球(C-60)中加入一种有机二甲苯(C8H10)溶剂,让其溶解后施加高压,观察在不同压力下会发生怎样的变化。在相对低压条件下,C-60还能保持笼子形状,随着压力升高,笼结构开始破裂成非晶体的碳原子簇。然而,这些非晶体碳簇仍保持在它们原来的位置上,形成一种晶格结构。研究人员称之为“有序非晶体碳簇”。
形成这种结构的压力范围非常狭窄。低于30万个大气压时,形成的新结构在消除压力后会恢复成原来的球状,达到32万个大气压后,新结构就是稳定的,消除压力后也不会复原。
有资料显示,我国刀具目前的年销售额大约为145亿元,其中硬质合金刀具所占的比重不足25%,但国内制造业所需的硬质合金刀具已经占据刀具的 50%以上,这种盲目生产已经严重满足不了国内制造业对硬质合金机床刀具日益增长的需求,从而形成了中高端市场的真空状态,最终被国外企业所占据。
2007年,我国生产的1.65万吨硬质合金中,有4500吨用于切削刀具生产上,数量上和日本相当。但制成刀具后的价值仅8亿美元,远不及日 本的25亿美元,这充分说明国内硬质合金高效刀具的整体生产水平与国外仍有相当大的差距。所以,在国内企业不能满足市场需求的前提下,制造业的需求就不得 不依靠大量进口来解决。
王林说:“我们创造了一种新型碳材料,硬度可与钻石相比。这种材料在极端高压下一旦形成,就能在正常条件下存在,这意味着它们具有广泛的实际应用价值。”