Материал прочнее алмаза

Алмазы, которые полностью состоят из атомов углерода, расположенных в плотной решетке, известны своей непревзойденной твердостью среди известных материалов. Однако углерод может образовывать много других стабильных конфигураций, называемых аллотропами. К ним относятся знакомый графит в карандашном свинце, а также наноматериалы, такие как углеродные нанотрубки. Механические свойства, в том числе твердость, аллотропа зависят в основном от того, как его атомы связаны друг с другом. В обычных алмазах каждый атом углерода образует ковалентную связь с четырьмя соседями.

Химики называют атомы углерода подобными sp3-гибридизации. В нанотрубках и некоторых других материалах каждый углерод образует три связи, называемые sp2-гибридизацией.

Теперь исследователи из Университета Цукуба изучили, что произойдет, если атомы углерода будут расположены в более сложной структуре со смесью гибридизации sp3 и sp2.

«Углеродные аллотропы с гибридизированными атомами sp2 и sp3 имеют большее морфологическое разнообразие из-за огромного количества комбинаций и договоренностей в сетях», - говорит первый автор Ясумару Фуджи.

Чтобы рассчитать наиболее стабильную атомную конфигурацию, а также оценить ее твердость, команда использовала вычислительный метод, называемый теорией функционала плотности (DFT). DFT успешно используется в химии и физике твердого тела для прогнозирования структуры и свойств материалов. Отслеживание квантовых состояний всех электронов в образце, и особенно их взаимодействия, обычно является неразрешимой задачей. Вместо этого DFT использует приближение, которое фокусируется на конечной плотности электронов в пространстве, вращающемся вокруг атомов.

Это упрощает расчет, чтобы сделать его пригодным для компьютеров, и в то же время дает очень точные результаты. Ученые обнаружили, что модуль Юнга, мера твердости, для пентадиамада, согласно прогнозам, составит почти 1700 ГПа по сравнению с 1200 ГПа для обычного алмаза.

«Пентадиамант не только тверже обычного алмаза, его плотность намного ниже, чем у графита», - объясняет соавтор профессор Мина Маруяма. «Эта работа демонстрирует силу разработки материалов ab initio. В дополнение к промышленному использованию для резки и сверления, вместо алмазных ячеек наковальни могут быть использованы пентадианы, которые в настоящее время используются в научных исследованиях для воссоздания экстремального давления внутри планет», - сказал старший соавтор профессор Сусуму Окада.

Источник: Университет Цукубы