Superdiamond carbon-bor bure kan fange og udnytte forskellige egenskaber

En længe efterspurgt klasse af "superdiamant" kulstofbaserede materialer med afstembare mekaniske og elektroniske egenskaber blev forudsagt og syntetiseret af Carnegies Li Zhu og Timothy Strobel. Deres arbejde er udgivet af Videnskabens fremskridt .

Kulstof er det fjerde mest udbredte grundstof i universet og er grundlæggende for livet, som vi kender det. Den er uovertruffen i sin evne til at danne stabile strukturer, både alene og med andre elementer.

Et materiales egenskaber bestemmes af, hvordan dets atomer er bundet, og de strukturelle arrangementer, som disse bindinger skaber. For kulstofbaserede materialer, typen af ​​binding gør forskellen mellem hårdheden af ​​diamant, som har tredimensionelle "sp3"-bindinger, og blødheden af ​​grafit, som har todimensionelle "sp2"-bindinger, for eksempel.

På trods af den enorme mangfoldighed af kulstofforbindelser, kun en håndfuld tredimensionelle, sp3-bundne kulstofbaserede materialer er kendte, inklusive diamant. Den tredimensionelle bindingsstruktur gør disse materialer meget attraktive til mange praktiske anvendelser på grund af en række egenskaber, herunder styrke, hårdhed, og termisk ledningsevne.

"Bortset fra diamant og nogle af dens analoger, der indeholder yderligere elementer, næsten ingen andre udvidede sp3 carbon materialer er blevet skabt, på trods af talrige forudsigelser om potentielt syntetiserbare strukturer med denne form for binding, " Strobel forklarede. "At følge et kemisk princip, der indikerer, at man tilføjer bor i strukturen, vil forbedre dens stabilitet, vi undersøgte en anden 3-D-bundet klasse af kulstofmaterialer kaldet clathrates, som har en gitterstruktur af bure, der fanger andre typer atomer eller molekyler."

Klatrater bestående af andre grundstoffer og molekyler er almindelige og er blevet syntetiseret eller fundet i naturen. Imidlertid, kulstofbaserede clathrater er ikke blevet syntetiseret indtil nu, trods langvarige forudsigelser om deres eksistens. Forskere forsøgte at skabe dem i mere end 50 år.

Strobel, Zhu, og deres team—Carnegies Gustav M. Borstad, Hanyu Liu, Piotr A. Gucka, Michael Gurette, Juli-Anna Dolyniuk, Yue Meng, og Ronald Cohen, samt Eran Greenberg og Vitali Prakapenka fra University of Chicago og Brian L. Chaloux og Albert Epshteyn fra U.S. Naval Research Laboratory – nærmede sig problemet gennem en kombineret beregningsmæssig og eksperimentel tilgang.

"Vi brugte avancerede struktursøgningsværktøjer til at forudsige det første termodynamisk stabile kulstofbaserede clathrat og syntetiserede derefter clathratstrukturen, som består af carbon-bor-bure, der fanger strontiumatomer, under høje tryk og høje temperaturforhold, " sagde Zhu.

Resultatet er en 3D, kulstofbaseret rammeværk med diamantlignende binding, der kan genvindes til omgivende forhold. Men i modsætning til diamant, strontiumatomerne, der er fanget i burene, gør materialet metallisk - hvilket betyder, at det leder elektricitet - med potentiale for superledning ved særlig høj temperatur.

Hvad mere er, clathratets egenskaber kan ændre sig afhængigt af typerne af gæsteatomer i burene.

"De fangede gæsteatomer interagerer stærkt med værtsburene, " bemærkede Strobel. "Afhængigt af de specifikke gæsteatomer, der er til stede, clathratet kan indstilles fra en halvleder til en superleder, alt samtidig med at den er robust, diamantlignende bindinger. I betragtning af det store antal mulige erstatninger, vi forestiller os en helt ny klasse af kulstofbaserede materialer med meget justerbare egenskaber."

"For alle, der er til - eller hvis børn er til - Pokémon, denne kulstofbaserede clathratstruktur er som materialernes Eevee, " jokede Zhu. "Afhængigt af hvilket element det fanger, den har forskellige evner."