Eerder dit jaar, amorfe diamant werd voor het eerst gesynthetiseerd met behulp van een techniek waarbij hoge drukken, matig hoge temperaturen en een kleine hoeveelheid glasachtige koolstof als uitgangsmateriaal. Een vader-zoonteam aan de Clemson University heeft nu met succes een aantal fysieke basiseigenschappen voor deze nieuwe stof berekend, inclusief elastische constanten en gerelateerde grootheden. De resultaten worden deze week gerapporteerd in Technische Natuurkunde Brieven .

Diamant is een vorm van zuivere koolstof waarin de atomen zijn gerangschikt in een kristalrooster, met elk koolstofatoom omringd door vier andere koolstofatomen op de hoeken van een tetraëder. De koolstof-koolstofbindingen in diamant staan ​​bekend als sp3-bindingen. De ordelijke rangschikking van tetraëdrische structuren die zich over lange afstanden in een diamantkristal herhalen, produceert een hard materiaal met een hoge temperatuurstabiliteit. Diamant is dus zowel een waardevolle edelsteen als een materiaal met een verscheidenheid aan technologische toepassingen.

amorfe koolstof, anderzijds, heeft verschillende fracties van sp3-gebonden koolstof in een ongeordend, of amorf, Matrix. De amorfe structuur produceert zeer gewenste mechanische eigenschappen. De hoeveelheid sp3-binding in amorfe koolstof is niet zo hoog als in pure diamant. Een fractie van de koolstof-koolstofbindingen is van het sp2-type, gevonden in andere koolstofvormen zoals grafiet.

Sp3-gebonden amorf silicium en germanium zijn al vele jaren bekend en worden veel gebruikt in fotovoltaïsche, dunnefilmsensoren en transistors, en andere hightech toepassingen. Het is van groot belang, dan, om manieren te vinden om amorfe diamant te maken die een hoog percentage sp3-bindingen behoudt. Terwijl het eerder dit jaar gerapporteerde werk precies dat deed, monsters zijn nog niet algemeen beschikbaar om te testen. Voorlopige tests toonden aan dat deze amorfe diamanten vrij dicht zijn, optisch transparant en sterk.

Het vader-zoon-team van Arthur en John Ballato is in deze kenniskloof gestapt om enkele nog niet gemeten fysieke eigenschappen voor deze nieuwe vorm van diamant te berekenen. "We hebben een modelleringsbenadering gebruikt waarmee men de eigenschappen van kristallijne diamant kan gebruiken om de eigenschappen van de glasachtige diamantanaloog af te leiden, " zei Ballato. "In dit werk, we hebben de elastische eigenschappen van deze nieuwe fase van diamant afgeleid uit gemeten eigenschappen van kristallijne diamant."

De procedure die ze gebruikten, omvat een computermodel van een kristal dat computationeel wordt gehomogeniseerd om een ​​amorfe versie van de stof te creëren. Het model van het kristal maakt gebruik van eenvoudige, klassieke natuurkunde en beschrijft de koolstof-koolstofbindingen als veren. De gebruikte homogenisatiemethode staat bekend als de Voigt-Reuss-Hill (VRH) techniek.

Met behulp van deze aanpak, de Ballatos berekenden een aantal belangrijke bulkeigenschappen, inclusief Young's modulus, Poisson-verhouding en andere elastische constanten voor de stof. Ze gebruikten de VRH-homogenisatiebenadering in eerder werk om glasachtige saffier en materialen die van belang zijn voor gebruik in krachtige lasers te bestuderen. De VRH-methode is eenvoudiger en meer rechttoe rechtaan dan geavanceerde kwantummechanische methoden die ook beschikbaar zijn, maar de eigenschappen die in dit werk zijn berekend, kunnen als basis dienen, zowel voor meer geavanceerde, maar dure modellen, evenals voor toekomstige experimentele metingen.