Forskere etablerer strukturen af ​​en ny superhård form for kulstof

(Phys.org) -- Et internationalt hold ledet af Artem R. Oganov, PhD, en professor i teoretisk krystallografi ved Institut for Geovidenskab ved Stony Brook University, har etableret strukturen af ​​en ny form for kulstof. Resultaterne af deres arbejde, "Forstå karakteren af ​​superhård grafit, ” blev offentliggjort 26. juni i Videnskabelige rapporter , et nyt tidsskrift for Nature Publishing Group.

Dr. Oganov og hans team brugte en ny beregningsmetode til at demonstrere, at egenskaberne af, hvad der tidligere var blevet anset for kun at være en hypotetisk struktur af en superhård form for kulstof kaldet "M-carbon" - konstrueret af Oganov i 2006 - passede perfekt til eksperimentelle data om "superhård grafit."

"De fleste af de kendte former for kulstof har en farverig historie om deres opdagelse og et væld af reelle eller potentielle revolutionære anvendelser, " sagde Oganov. "Tænk på diamant, et rekordstort materiale på mere end én måde. Tænk på grafen, bestemt til at blive fremtidens elektronikmateriale. Eller af fullerener, hvis opdagelse har startet nanovidenskaben."

Historien om endnu en form for kulstof startede i 1963, når Aust og Drickamer komprimerede grafit ved stuetemperatur. Højtemperaturkomprimering af grafit er kendt for at producere diamant, men ved stuetemperatur blev der produceret en ukendt form for kulstof. Denne nye form, som diamant, var gennemsigtig og superhård - men dens øvrige egenskaber stemte ikke overens med diamant eller andre kendte former for kulstof.

"Selve eksperimentet er enkelt og slående:du komprimerer sort ultrablød grafit, og så bliver det pludselig til en farveløs, gennemsigtig, superhård og mystisk ny form for kulstof - 'superhård grafit, " sagde Oganov. "Eksperimentet blev gentaget flere gange siden, og resultatet var det samme, men der blev ikke produceret nogen overbevisende strukturel model, på grund af den lave opløsning af eksperimentelle data."

Ved at bruge hans banebrydende metode til forudsigelse af krystalstruktur, Oganov i 2006 konstruerede en ny lavenergi superhård struktur af "M-carbon." Dette arbejde resulterede i en strøm af videnskabelige artikler, der inden for to år foreslog forskellige "alfabetiske" strukturer, såsom F-, O-, P-, R-, S-, T-, W-, X-, Y-, Z-carboner. "Ironien var, at de fleste af disse også havde egenskaber, der var kompatible med eksperimentelle observationer af 'superhård grafit'. For at skelne mellem disse modeller, eksperimentelle data i højere opløsning og yderligere teoretisk indsigt er påkrævet, " sagde han.

Ifølge Oganov, grunden til, at diamant ikke dannes ved kold kompression af grafit, er, at den rekonstruktion, der skal til for at omdanne grafit til diamant, er for stor og er forbundet med en for stor energibarriere, som kun kan overvindes ved høje temperaturer, når atomer kan springe langt. Ved lave temperaturer, grafit vælger i stedet en transformation forbundet med den laveste aktiveringsbarriere.

Man kunne etablere strukturen af ​​'superhård grafit' ved at finde ud af, hvilken struktur der har den laveste dannelsesbarriere fra grafit. At gøre det, Oganov, hans postdoc Salah Eddine Boulfelfel, og deres tyske kollega, Professor Stefano Leoni, ved Dresden teknologiske universitet, brugt en kraftfuld simuleringstilgang, for nylig tilpasset til faste materialer, kendt som overgangsstisampling. Disse simuleringer krævede nogle af verdens mest kraftfulde supercomputere, og endelig beviste, at "superhård grafit" faktisk er identisk med M-carbon, tidligere forudsagt af Oganov.

"Disse beregninger er teknisk ekstremt udfordrende, og det tog os mange måneder at udføre og analysere dem. Søger efter sandheden, du skal være forberedt på ethvert resultat, og vi var klar til at acceptere, hvis en anden af ​​de mange foreslåede strukturer vandt konkurrencen. Men vi var heldige og vores eget forslag – M-carbon – vandt, " sagde Oganov.

Et andet resultat af denne undersøgelse er et sæt detaljerede mekanismer for dannelse af flere potentielle kulstof-allotroper. Disse kunne bruges til at udvikle måder til deres syntese til potentielle teknologiske anvendelser.

"Vi ved endnu ikke, hvilke applikationer M-carbon vil finde, men de fleste former for kulstof formåede at finde revolutionerende anvendelser, og dette fantastiske materiale gør det måske også, " sagde Oganov.