Onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba gebruikten computerberekeningen om een ​​nieuw op koolstof gebaseerd materiaal te ontwerpen dat nog harder is dan diamant. Deze structuur, door de makers "pentadiamant" genoemd, kan nuttig zijn voor het vervangen van de huidige synthetische diamanten bij moeilijke productietaken.

diamanten, die volledig zijn gemaakt van koolstofatomen die in een dicht rooster zijn gerangschikt, staan ​​bekend om hun ongeëvenaarde hardheid onder bekende materialen. Echter, koolstof kan vele andere stabiele configuraties vormen, allotropen genoemd. Deze omvatten het bekende grafiet in potlood, evenals nanomaterialen zoals koolstofnanobuisjes. De mechanische eigenschappen, inclusief hardheid, van een allotroop hangen vooral af van de manier waarop de atomen zich met elkaar verbinden. In conventionele diamanten, elk koolstofatoom vormt een covalente binding met vier buren. Chemici noemen dergelijke koolstofatomen sp3-hybridisatie. In nanobuisjes en sommige andere materialen, elke koolstof vormt drie bindingen, sp2-hybridisatie genoemd.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba hebben onderzocht wat er zou gebeuren als koolstofatomen in een complexere structuur zouden worden gerangschikt met een mengsel van sp3- en sp2-hybridisatie.

"Koolstofallotropen met zowel sp2- als sp3-gehybridiseerde atomen hebben een grotere morfologische diversiteit vanwege het enorme aantal combinaties en arrangementen in netwerken, ", zegt eerste auteur Yasumaru Fujii.

Om de meest stabiele atomaire configuratie te berekenen, evenals de hardheid ervan inschatten, het team vertrouwde op een computationele methode genaamd dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT). DFT is met succes gebruikt in de chemie en vastestoffysica om de structuur en eigenschappen van materialen te voorspellen. Het bijhouden van de kwantumtoestanden van alle elektronen in een monster, en vooral hun interacties, is meestal een lastige taak. In plaats daarvan, DFT gebruikt een benadering die zich richt op de uiteindelijke dichtheid van elektronen in de ruimte rond de atomen.

Dit vereenvoudigt de berekening om het geschikt te maken voor computers, terwijl het nog steeds zeer nauwkeurige resultaten oplevert. De wetenschappers ontdekten dat de Young's modulus, een maat voor hardheid, van pentadiamond werd voorspeld op bijna 1700 GPa, vergeleken met ongeveer 1200 GPa voor conventionele diamant.

"Niet alleen is pentadiamant harder dan conventionele diamant, de dichtheid is veel lager, gelijk aan die van grafiet, " legt co-auteur professor Mina Maruyama uit.

"Dit werk toont de kracht van het ontwerpen van materialen ab initio. Naast industriële snij- en boortoepassingen, pentadiamanten kunnen worden gebruikt in plaats van diamanten aambeeldcellen die momenteel in wetenschappelijk onderzoek worden gebruikt om de extreme druk binnen planeten te recreëren, " zei senior co-auteur professor Susumu Okada.