(PhysOrg.com) -- Als het gaat om krachttesten, grafiet - eigenlijk gelaagde vellen koolstofatomen - doet het slecht. Onderwerp het aan ultrahoge druk, Hoewel, en grafiet wordt diamant, de hardste stof die bekend is, en een uniek bruikbaar materiaal in een verscheidenheid aan toepassingen.

Maar hoewel diamanten voor altijd kunnen zijn, de meeste materialen die onder hoge druk transformeren, keren terug naar hun oorspronkelijke structuur wanneer de druk wordt opgeheven - ze verliezen alle nuttige eigenschappen die ze mogelijk hadden gekregen toen ze werden ingedrukt.

Nutsvoorzieningen, door het proces achter de transformatie zelf te begrijpen, zowel vanuit experimenteel als theoretisch perspectief, onderzoekers hebben een mogelijke stap gezet in de richting van het creëren van een nieuwe klasse van uitzonderlijk sterke, duurzame materialen die hun hogedrukeigenschappen behouden - inclusief sterkte en supergeleiding - in alledaagse lagedrukomgevingen.

Het onderzoek, geleid door Zhongwu Wang, stafwetenschapper bij de Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) en inclusief Roald Hoffmann, de scheikunde Nobelprijswinnaar van 1981 en Frank H.T. Rhodes emeritus hoogleraar Humane Letters, verschijnt in de oktober 12, uitgave van de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Extra wetenschappers bij CHESS, een groep in Korea en een postdoctoraal medewerker in de Hoffmann-groep, Xiao-dong Wen, ook bijgedragen.

Onderzoekers gebruiken vaak röntgendiffractie, een techniek waarbij röntgenstralen op een structuur worden geprojecteerd en op film worden vastgelegd nadat ze door het oppervlak zijn gegaan of ervan weerkaatsen, om de statische structuren van atomen en moleculen te bepalen. Maar tot nu toe, de transformatie en interactie tussen twee structuren gebeurde in een metaforische zwarte doos, zei Wang.

Om de doos te openen, onderzoekers richtten zich op wurtziet, een cadmium-seleniumkristal waarin atomen in een diamantachtige structuur zijn gerangschikt en moleculen aan het oppervlak zijn gebonden. Wanneer dunne vellen wurtziet onder een druk van 10,7 gigapascal worden geperst, of 107, 000 keer de druk op het aardoppervlak, hun atomaire structuur verandert in een steenzoutachtige structuur

Als een kristal van macroformaat aan hoge druk wordt blootgesteld, kan het breken (kleine defecten in de kristalstructuur vergroten, waardoor de structuur, en het transformatieproces, onregelmatig worden) -- dus maakten de Koreaanse medewerkers van de groep in plaats daarvan wurtziet-nanobladen, die slechts 1,4 nanometer dik en vrij van defecten zijn.

Toen er druk werd uitgeoefend, Wang en collega's integreerden twee röntgendiffractietechnieken (kleine en grote hoek röntgendiffractie) om veranderingen in de oppervlaktevorm van het kristal en de inwendige atomaire structuur te karakteriseren, evenals de structurele verandering van oppervlaktegebonden moleculen.

Ze ontdekten eerst dat de nanosheets drie keer zoveel druk nodig hadden om de transformatie te ondergaan als hetzelfde materiaal in grotere kristalvorm.

Ze testten ook de vloeigrens van het materiaal (het spanningsniveau waarbij het begint te vervormen), hardheid (weerstand tegen krassen of schuren) en elasticiteit (vermogen om terug te keren naar zijn oorspronkelijke vorm) tijdens de transformatie. Begrijpen hoe die eigenschappen veranderen naarmate de moleculen op elkaar inwerken, zou onderzoekers kunnen helpen om sterker, hardere materialen, zei Wang.

En het toevoegen van een bindend molecuul genaamd een zachte ligand aan het oppervlak van de hogedruk nanosheets, observeerden de onderzoekers het effect van die binding aan de interne structuur van de nanosheets, transformatie druk, en afstand.

In de tussentijd, terwijl Wang en collega's de experimenten bij CHESS uitvoerden, Wen en Hoffmann werkten aan de bijbehorende theorie achter de transformatie-interactie.

"Zowel het experiment als de simulatie komen goed overeen, ' zei Wang. 'Nu weten we hoe de atomen bewegen. We begrijpen de tussenprocedure."

De volgende stap is het testen van manieren om de omgekeerde transformatie van steenzout terug naar wurtziet te blokkeren, het creëren van een materiaal dat de unieke eigenschappen van steenzout behoudt onder omgevingsdruk.

En het experimentele proces van Wang zou veelbelovend kunnen zijn voor het begrijpen van de transformatieroute voor andere verbindingen.

"Het kan van toepassing zijn op alle andere materialen, " zei Wang. "Volg gewoon onze manier van meten."