Является ли алюмосиликатное стекло «самым прочным стеклом на свете?»

Взгляд редактора: Ученые разработали новый способ изготовления сверхпрочного стекла. В ходе этого процесса обычное оксидное стекло смешивается с алюмосиликатом при чрезвычайно высоких температурах и давлении. В некоторых публикациях полученный материал называют «самым прочным стеклом на свете», но так ли это?

Ученые-материаловеды из Университета Байройта в Германии разработали стекло, которое более чем в два раза прочнее, чем Gorilla Glass. Gorilla Glass Victus от Corning — самый прочный материал с вязкостью разрушения 0,76 мегапаскаля (МПа). Стекло, полученное в ходе исследования в Байройте, опубликованного в журнале Nature Materials в этом месяце, имеет прочность 1,99 МПа. Исследователи утверждают, что оно превосходит «любое другое известное стекло из объемного оксида», что побудило Extreme Tech опубликовать сенсационный заголовок: «Ученые используют экстремальное тепло и давление для создания самого прочного стекла на свете». Но является ли это самым прочным стеклом на свете?

Заголовок заставил меня задуматься о том времени в 2016 году, когда люди сходили с ума от «Звездного пути», предсказывающего открытие прозрачного алюминия. Возможно, вы помните сцену из «Звездного пути 4: Путешествие домой», где Скотти и Боунс убеждают инженера-полимерщика предоставить им материалы для строительства резервуара для кита в обмен на формулу прозрачного алюминия (ниже).

В то время это была сенсационная история, которую быстро развенчали люди, указавшие, что патенты на разработку оксинитрида алюминия (AlON) появились еще в 1978 году, за восемь лет до выхода фильма. Некоторые из первых коммерческих образцов были созданы в 1984 году, за два года до выхода фильма. Конечно, за этим последовали годы исследований, а прорыв в производственном процессе, обнаруженный в 2016 году Оксфордским университетом, привел к широко распространенному заблуждению.

Материал Университета Байройта немного отличается от AlON, но не прочнее. AlON производится путем сплавления атомов алюминия, кислорода и азота в прозрачную керамику. Алюмосиликатное стекло представляет собой смесь стандартного оксидного стекла с кремнием, алюминием, бором и кислородом (алюмосиликат). В химическом отношении основное отличие состоит в замене азота бором.

Процесс производства AlON включает смешивание порошка оксида алюминия с сажей и его нагрев примерно до 1650–1850 градусов Цельсия в атмосфере, богатой азотом. Исследователи из Байройта объединили оксидное стекло с алюмосиликатом и нагрели его до 1000°С под давлением 10-15 гигапаскалей (ГПа). Оба процесса создают очень твердую паракристаллическую структуру (ниже).

Обычное аморфное стекло (слева) и паракристаллическое стекло (справа). Более легкие области более упорядочены, что добавляет силы. Изображение предоставлено: Университет Байройта

В результате процесса Байройта получается стекло с прочностью на излом 1,99 МПа +/- 0,06 МПа, что лишь немного выше или ниже, чем у AlON (2,0 МПа). Таким образом, по сути, это новое стекло имеет ту же прочность, что и нынешние формы AlON. К сожалению, он даже не занимает первое место, когда дело касается силы.

Ранее в этом году китайские ученые синтезировали стекло, достаточно твердое, чтобы поцарапать алмазы. Аморфный материал, получивший предварительное название AM-III, имел твердость 113 ГПа по испытанию на твердость по Виккерсу. Для справки: многие природные алмазы имеют прочность от 70 до 100 ГПа. Однако самые твердые камни могут склонить чашу весов до 150 ГПа. Это стекло изготавливается путем очень медленного нагревания и сжатия фуллерена до давления 25 ГПа и температуры 1200°C в течение 12 часов.

Все эти вещества различаются в разной степени, но все они имеют маркировку «стекло». Я не верю, что Extreme Tech был неискренен в своем заголовке. Я думаю, что он просто попал в ажиотаж, как мы видели в прошлых достижениях в этой области. Утверждение исследования о том, что алюмосиликатное стекло прочнее любого другого объемного оксидного стекла, справедливо, но только с квалификацией «объемный оксид». И AlON, и фуллереновое стекло могут по праву претендовать на одно и то же, причем последнее на данный момент является самым сильным.

Изображение предоставлено: Стилветро Акви