Forskere bygger en hårdere diamant, kaldet pentadiamanter

Forskere ved University of Tsukuba brugte computerberegninger til at designe et nyt kulstofbaseret materiale, der er endnu hårdere end diamant. Denne struktur, døbt "pentadiamond" af dets skabere, kan være nyttig til at erstatte nuværende syntetiske diamanter i vanskelige skærefremstillingsopgaver.

Diamanter, som udelukkende er lavet af carbonatomer arrangeret i et tæt gitter, er berømt for deres uovertrufne hårdhed blandt kendte materialer. Imidlertid, kulstof kan danne mange andre stabile konfigurationer, kaldet allotroper. Disse inkluderer den velkendte grafit i blyant, samt nanomaterialer såsom carbon nanorør. De mekaniske egenskaber, herunder hårdhed, af en allotrop afhænger mest af den måde, dens atomer binder til hinanden. I konventionelle diamanter, hvert kulstofatom danner en kovalent binding med fire naboer. Kemikere kalder carbonatomer som dette for at have sp3 -hybridisering. I nanorør og nogle andre materialer, hvert kulstof danner tre bindinger, kaldet sp2 hybridisering.

Nu, forskere ved University of Tsukuba har undersøgt, hvad der ville ske, hvis kulstofatomer blev arrangeret i en mere kompleks struktur med en blanding af sp3- og sp2 -hybridisering.

"Carbonallotroper med både sp2 og sp3 hybridiserede atomer har større morfologisk diversitet på grund af det enorme antal kombinationer og arrangementer i netværk, "siger første forfatter Yasumaru Fujii.

For at beregne den mest stabile atomare konfiguration, samt estimere dens hårdhed, holdet stolede på en beregningsmetode kaldet density functional theory (DFT). DFT er med succes blevet brugt gennem kemi og faststoffysik til at forudsige materialers struktur og egenskaber. Holde styr på kvantetilstandene for alle elektronerne i en prøve, og især deres interaktioner, er normalt en vanskelig opgave. I stedet, DFT bruger en tilnærmelse, der fokuserer på den endelige tæthed af elektroner i rummet, der kredser om atomerne.

Dette forenkler beregningen for at gøre den velegnet til computere, mens du stadig giver meget præcise resultater. Forskerne fandt ud af, at Youngs modul, et mål for hårdhed, af pentadiamant blev forudsagt at være næsten 1700 GPa, sammenlignet med omkring 1200 GPa for konventionel diamant.

"Pentadiamond er ikke kun hårdere end konventionel diamant, dens tæthed er meget lavere, svarende til grafit, " forklarer medforfatter professor Mina Maruyama.

"Dette arbejde viser styrken ved at designe materialer ab initio. Ud over industriel skæring og boring, pentadiamanter kan bruges i stedet for diamantamboltceller, der i øjeblikket bruges i videnskabelig forskning for at genskabe det ekstreme tryk inde i planeter, " sagde senior medforfatter professor Susumu Okada.