Struktur af ny form for superhårdt kulstof identificeret

(PhysOrg.com) -- Et eksperiment i 2003 dannede, hvad man mente at være en ny form for kulstof, men resultaterne var kontroversielle. Nu har to hold af videnskabsmænd brugt forskellige midler til at identificere en tredimensionel netværksstruktur kaldet "bct-carbon, "som de siger kunne have været den struktur, der blev dannet i 2003.

Rent kulstof findes i en række forskellige strukturer, inklusive grafit og diamant. Den nye struktur, kropscentreret tetragonal carbon eller bct-carbon, er uventet enkel og består af plader af kvadrater med hver fire carbonatomer, forbundet med "korte" bindinger vinkelret på arkene. Denne form for kulstof dannes, når grafit udsættes for højt tryk ved normale temperaturer.

Det har været kendt i næsten 50 år, at grafit udsat for kold kompression (højt tryk ved omgivelsestemperaturer) gennemgår en transformation, der er reversibel, og i 2003 komprimerede forskere ved Stanford University grafit i en diamantamboltpresse, mens de samtidig opnår røntgendiffraktionsmønsteret for at hjælpe dem med at studere bindingerne i strukturen. De fandt ud af, at når trykket oversteg 17 gigapascal (GPa) (170, 000 atmosfærer) dannede kulstofatomerne i den normalt bløde grafit et materiale, der var hårdt nok til at knække diamant, men dens struktur forblev uklar.

Nu er et team af videnskabsmænd ledet af Hui-Tian Wang fra Nankai University i Tianjin, Kina, har vist gennem computersimuleringer, at det superhårde kulstof i det mindste delvist kan være sammensat af bct-kulstof, da dette tager mindst energi at danne. Bct-carbon har en struktur halvvejs mellem diamantens terninger af kulstofatomer og grafits forbundne plader af kulstofatomer i et sekskantet gitter. Bct-carbon består af plader af fire-atomede kulstofringe forbundet med stærke bindinger.

Holdet studerede 15 mulige strukturer og fandt ud af, at det gennemsigtige bct-carbon ikke kun krævede lavere energier for at dannes, men at dets forskydningsstyrke er 17 procent større end diamantens. Hvis resultaterne bekræftes, det betyder, at det kan være muligt at fremstille et materiale, der er stærkere end diamant ved normale temperaturer.

En anden gruppe videnskabsmænd, herunder Renata Wentzcovitch fra University of Minnesota og Takashi Miyake fra National Institute of Advanced Industrial Science and Technology i Japan, kom til lignende konklusioner tidligere i år, men på en anden måde. Denne gruppe analyserede den foreslåede bct-carbon struktur ved hjælp af kvantemekaniske simuleringer. De fandt, at bct-carbon var mere stabil end grafit ved 18,6 GPa, og at det, når det blandes med M-carbon, ville frembringe et røntgendiffraktionsmønster, der var tæt matchet med det, der blev fundet i 2003. (M-carbon er en struktur, der består af kulstoflag i ringe med fem og syv medlemmer.)

Papiret fra Hui-Tian Wangs team blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgang B , mens USA/Japan-forskningen blev rapporteret i Fysiske anmeldelsesbreve i marts i år.

© 2010 PhysOrg.com