Как цемент стал аморфным металлом

Начнём с последнего. Химически металлические стёкла (они же аморфные металлы) — это самый обычный металл. Атомы жидкого расплавленного металла при его остывании образуют относительно открытую кристаллическую структуру, в которой могут «скользить» вдоль её плоскостей. Скажем, какое-нибудь железо относительно пластично, а потому его, если надо, легируют углеродом, «запирающим» такие структуры, отсюда и сталь.


Разными ухищрениями аморфные металлы быстро переводят из жидкого состояния в твёрдое, что не даёт кристаллической решётке времени для формирования. В итоге у атомов в металлическом стекле есть ближняя связь, но нет дальней. Структура кристаллического типа напрочь отсутствует — как и в обычном стекле. Итог замечательный, в том смысле, что такие металлы, не нуждаясь в легировании, могут быть во много раз прочнее при радикально большей вязкости.

Так вот, международная научная группа под руководством Криса Бенмора (Chris Benmore), физика из Аргоннской национальной лаборатории (США), исследовала недавно подмеченный в экспериментах феномен перехода жидкого цемента в состояние аморфного металла.

Для этого изучался майенит, компонент глинозёмистого цемента, состоящего из кальция и оксидов алюминия. Учёные расплавили его при температуре 2 000 °С. Чтобы исключить контакт с другими с веществами, сопутствующий началу быстрых процессов кристаллизации, его удерживали в воздухе при помощи направленных с разных сторон воздушных потоков. А нагрев вёлся углекислотным лазером. В итоге цемент получал аморфную структуру по типу стекла (или металлического стекла).

Не хотите ли вы теперь поинтересоваться, откуда берётся электропроводность? В самом деле, исходя из химического состава майенита в неё как-то не верится при любом упорядочивании атомов и молекул в таком «аморфном цементе». Но экспериментаторы обнаружили, что цемент при остывании без контакта с твёрдыми поверхностями «ловит» оказавшиеся в нём свободные электроны в клеткоподобные структуры, возникающие между близлежащими атомами в обычных стёклах. Таким образом, электронов там оказывается много больше нормы, и именно их присутствие обуславливает проводимость итогового аморфного цемента.

Хорошо, но к чему все эти ухищрения (один только специально разработанный «левитатор» на воздушном обдуве чего стоит)? «Новый материал имеет массу возможных приложений, включая тонкоплёночные резисторы, используемые в ЖК-мониторах, с одного из которых вы читаете этот текст», — отвечает Крис Бенмор. В принципе, поле для применения весьма обширно: такой цемент практически не корродирует, лишён хрупкости даже в очень тонких листах, при этом его проводимость слабо колеблется с изменением температуры (эталонные резисторы?), чего, увы, не скажешь о традиционных металлических проводниках.

Но дело не только в электронике. Открытие впервые позволило перевести в аморфное состояние что-то ещё, кроме металлов, и отсюда, возможно, следует, что при такой же методике захвата свободных электронов удастся придать те же свойства (включая проводимость!) другим классам материалов.

Подготовлено по материалам Аргоннской национальной лаборатории.