Строить тяжелее алмаза

Исследователи из Университета Цукуба использовать компьютерные расчеты для разработки нового углеродного материала на основе еще труднее, чем алмаз. Эта структура, получившая название «pentadiamond» его создателей, может быть полезен для замены нынешних синтетических алмазов в тяжелых резки производственных задач.

Бриллианты, которые изготавливаются исключительно из атомов углерода, расположенных в плотной решеткой, славятся своей непревзойденной твердостью среди известных материалов. Однако, углерод может образовывать много других стабильных конфигураций, называемых аллотропных форм. Они включают в себя знакомые графита в грифеле карандаша, а также наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки. Механические свойства, включая твердость, из-аллотропная модификация зависит главным образом от того, как атомы связываются друг с другом. В обычных алмазов, каждый атом углерода образует ковалентные связи с четырьмя соседями. Химики называют атомами углерода, такой как SP3-гибридизация. В нанотрубки и некоторые другие материалы, каждый углерод образует три связи, позвонил с SP2 гибридизацией.

Теперь, исследователи из Университета Цукуба исследовали, что произойдет, если атомы углерода выстраиваются в более сложную структуру с примесью SP3 и SP2 гибридизации.

«Аллотропы углерода с SP2 и SP3 гибридизированных атомов, имеют большую морфологического разнообразия из-за огромного количества комбинаций и договоренностей в сетях», — говорит первый автор Yasumaru Фуджи.

Для расчета наиболее стабильной атомной конфигурации, а также оценить ее твердость, коллектив опирается на вычислительные метода теории функционала плотности (DFT). ТФП успешно используется по всей химии и физики твердого тела для прогнозирования структуры и свойств материалов. Учет квантовых состояний всех электронов в образце, и особенно их взаимодействие, как правило, неразрешимой задачей. Вместо этого, ДПФ использует аппроксимацию, которая акцентирует внимание на конечных плотность электронов в космосе на орбите атомов.

Это упрощает расчет, чтобы сделать ее пригодной для компьютеров, обеспечивая очень точные результаты. Ученые обнаружили, что модуль Юнга, показатель твердости, в pentadiamond было предсказано почти 1700 ГПД, по сравнению с около 1200 ГПА для обычных алмазов.

«Не только pentadiamond сложнее, чем обычный Алмаз, его плотность намного ниже, равна графита», — объясняет соавтор исследования профессор Мина Маруяма. «Эта работа показывает силу проектировании материалов неэмпирического. В дополнение к промышленной резки и бурения использует, pentadiamonds может использоваться вместо алмазных наковальнях в настоящее время использованы в научных исследованиях, позволила воссоздать экстремальные давления внутри планет», говорит старший соавтор исследования профессор Сусуму Окада.

сделать разницу: спонсорские возможности