来自筑波大学的科学家利用计算机计算设计了一种新的碳基材料,其硬度甚至比钻石还高。这种被发明者称为“五角钻石”的结构,可能有助于在困难的切割制造任务中取代目前的合成钻石。钻石完全由排列在致密晶格中的碳原子组成,以其在已知材料中无与伦比的硬度而闻名。然而,碳可以形成许多其他稳定的构型,称为同素异形体。

其中包括铅笔芯中常见的石墨,以及碳纳米管等纳米材料。同素异形体的机械性能,包括硬度,主要取决于原子相互结合的方式。在传统钻石中,每个碳原子与四个邻居形成共价键。化学家称这样的碳原子为SP3杂化。在纳米管和其他一些材料中,每个碳形成三个键,称为sp2杂化。现在,筑波大学科技讯探索了如果碳原子排列成更复杂的结构,并混合了sp3和sp2结合会发生什么?

由于晶格网络中大量的组合和排列,具有sp2和sp3杂化原子的碳同素异形体具有更大的形态多样性。为了计算最稳定的原子构型,以及估计其硬度,研究小组依赖于一种名为密度泛函理论(DFT)的计算方法。密度泛函理论已被成功地应用于化学和固体物理中,用来预测材料的结构和性能。跟踪样本中所有电子的量子态,特别是它们的相互作用,通常是一项棘手的任务。

取而代之的是,密度泛函理论使用了一个近似值,它关注的是围绕原子运行的电子在空间中的最终密度。这简化了计算,使其适用于计算机,同时仍然提供非常精确的结果。科学家们发现,“五角钻石”的杨氏模量(衡量硬度的指标)预计接近1700 GPa,而传统钻石的杨氏模量约为1200 GPa。五角钻石不仅比普通钻石坚硬,其密度也要低得多,与石墨相当。这项研究工作展示了科学家利用计算机从头开始设计材料的能力。

除了工业切割和钻探用途,“五角钻石”可能会被用来取代目前用于科学研究的钻石砧单元,以重现行星内部的极端压力。“五角钻石”(SP2和SP3)在密度泛函理论的基础上,对C原子进行了研究。理论研究表明,“五角钻石”是一种亚稳态的三维碳同素异构体。具有显著力学性能的空间群:相对较高的体积模量(381GPa)和负泊松比0.241。相应地,“五角钻石”具有极高的杨氏模量和剪切模量,分别为1691 GPa和1113 GPa。

这超过了金刚石的杨氏模量和剪切模量,同时“五角钻石”电子结构是半导体,其间接带隙为2.52 eV和X分别为价带边和导带边的点,载流子质量相对较小。

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参考期刊《物理评论快报》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.016001

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比钻石还要硬,科学家利用计算机:设计制造出“五角”超硬钻石!

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来自筑波大学的科学家利用计算机计算设计了一种新的碳基材料,其硬度甚至比钻石还高。这种被发明者称为“五角钻石”的结构,可能有助于在困难的切割制造任务中取代目前的合成钻石。