Carnegie's Li Zhu en Timothy Strobel hebben een lang gezochte klasse van "superdiamant"-materialen op koolstofbasis met afstembare mechanische en elektronische eigenschappen voorspeld en gesynthetiseerd. Hun werk is uitgegeven door wetenschappelijke vooruitgang .

Koolstof is het vierde meest voorkomende element in het universum en is van fundamenteel belang voor het leven zoals wij dat kennen. Het is ongeëvenaard in zijn vermogen om stabiele structuren te vormen, zowel alleen als met andere elementen.

De eigenschappen van een materiaal worden bepaald door hoe de atomen zijn gebonden en de structurele arrangementen die deze bindingen creëren. Voor op koolstof gebaseerde materialen, het type binding maakt het verschil tussen de hardheid van diamant, die driedimensionale "sp3" bindingen heeft, en de zachtheid van grafiet, die tweedimensionale "sp2" bindingen heeft, bijvoorbeeld.

Ondanks de enorme diversiteit aan koolstofverbindingen, slechts een handvol driedimensionale, sp3-gebonden op koolstof gebaseerde materialen zijn bekend, inclusief diamant. De driedimensionale hechtstructuur maakt deze materialen zeer aantrekkelijk voor veel praktische toepassingen vanwege een reeks eigenschappen, waaronder sterkte, hardheid, en thermische geleidbaarheid.

"Afgezien van diamant en enkele van zijn analogen die extra elementen bevatten, er zijn bijna geen andere uitgebreide sp3-koolstofmaterialen gemaakt, ondanks talrijke voorspellingen van potentieel synthetiseerbare structuren met dit soort binding, Strobel legde uit. "Het volgen van een chemisch principe dat aangeeft dat het toevoegen van boor aan de structuur de stabiliteit zal verbeteren, we hebben een andere 3-D-gebonden klasse koolstofmaterialen onderzocht, clathraten genaamd, die een roosterstructuur van kooien hebben die andere soorten atomen of moleculen vangen."

Clathraten die uit andere elementen en moleculen bestaan, komen veel voor en zijn gesynthetiseerd of in de natuur gevonden. Echter, op koolstof gebaseerde clathraten zijn tot nu toe niet gesynthetiseerd, ondanks al lang bestaande voorspellingen van hun bestaan. Onderzoekers hebben meer dan 50 jaar geprobeerd ze te maken.

Strobel, Zhu, en hun team—Carnegie's Gustav M. Borstad, Hanyu Liu, Piotr A. Gucka, Michael Guerette, Juli-Anna Dolyniuk, Yue Meng, en Ronald Cohen, evenals Eran Greenberg en Vitali Prakapenka van de Universiteit van Chicago en Brian L. Chaloux en Albert Epshteyn van het U.S. Naval Research Laboratory - benaderden het probleem door een gecombineerde computationele en experimentele benadering.

"We hebben geavanceerde hulpmiddelen voor het zoeken naar structuren gebruikt om het eerste thermodynamisch stabiele, op koolstof gebaseerde clathraat te voorspellen en vervolgens de clathraatstructuur te synthetiseren, die bestaat uit koolstof-boor kooien die strontiumatomen vangen, onder hoge druk en hoge temperatuur, ' zei Zhu.

Het resultaat is een 3D, op koolstof gebaseerd raamwerk met diamantachtige binding die kan worden hersteld naar omgevingscondities. Maar in tegenstelling tot diamant, de strontiumatomen die in de kooien vastzitten, maken het materiaal metallisch - wat betekent dat het elektriciteit geleidt - met potentieel voor supergeleiding bij opmerkelijk hoge temperaturen.

Bovendien, de eigenschappen van het clathraat kunnen veranderen afhankelijk van de soorten gastatomen in de kooien.

"De gevangen gastatomen hebben een sterke wisselwerking met de gastkooien, " merkte Strobel op. "Afhankelijk van de specifieke aanwezige gastatomen, het clathraat kan worden afgestemd van een halfgeleider naar een supergeleider, alles met behoud van robuust, diamantachtige bindingen. Gezien het grote aantal mogelijke vervangingen, we stellen ons een geheel nieuwe klasse van op koolstof gebaseerde materialen voor met zeer afstembare eigenschappen."

"Voor iedereen die van Pokémon houdt, of wiens kinderen van Pokémon houden, deze op koolstof gebaseerde clathraatstructuur is als de Eevee van materialen, " grapte Zhu. "Afhankelijk van welk element het vangt, het heeft verschillende mogelijkheden."