(PhysOrg.com) -- Door extreme druk uit te oefenen om koolstofnanobuizen samen te drukken en plat te maken, wetenschappers hebben ontdekt dat ze een nieuw koolstofpolymeer kunnen maken waarvan simulaties aantonen dat het moeilijk genoeg is om diamant te kraken. Het drukgeïnduceerde vormingsproces van de nieuwe koolstofallotroop, genaamd Cco-C ₈ , is vergelijkbaar met de 3D-polymerisatie van het voetbalachtige buckminsterfullereen, C ₆₀ , bij hoge druk. Wanneer de koolstofnanobuisbundel wordt onderworpen aan verdere compressie, het wordt nog meer vervormd en afgeplat om de Cco-C . te produceren ₈ structuur.

De wetenschappers, onder leiding van professor Yongjun Tian van het State Key Laboratory of Metatable Materials Science and Technology aan de Yanshan University in Qinhuangdao, China, hebben hun studie over de nieuwe superharde koolstof gepubliceerd in een recent nummer van Fysieke beoordelingsbrieven . ¹

“Stermateriaal koolstof bestaat in verschillende architecturen vanwege het vermogen om sp-, sp ² -, en sp ³ -gehybridiseerde obligaties, het bevorderen van grafiet, diamant, lonsdaleiet, karabijn, chaoiet, amorfe koolstof, nanobuisjes, fullerenen, grafeen, enzovoort, Tian vertelde PhysOrg.com . “Deze koolstofallotropen hebben uitstekende en ongeëvenaarde eigenschappen, evenals uniek wetenschappelijk en technologisch belang, zodanig dat het zoeken naar nieuwe koolstofallotropen al lang een hot topic is in wetenschappelijke onderzoeksgemeenschappen. De grootste betekenis van dit werk ligt in de nieuwe strategie om koolstofnanobuisbundels direct te comprimeren om nieuwe metastabiele koolstofallotropen te ontwerpen en te synthetiseren. Deze strategie houdt in dat sommige metastabiele fasen van koolstof met hogere energie ook experimenteel kunnen worden verkregen."

Zoals de wetenschappers uitleggen, druk uitoefenen op sommige van deze koolstofallotropen kan de bindingen veranderen, resulterend in verschillende vormen van koolstof met nieuwe elektronische en mechanische eigenschappen.

In plaats van experimenteel te zoeken naar nieuwe koolstofallotropen, de wetenschappers hier gebruikten een recent ontwikkelde techniek genaamd de Crystal Structure Analysis by Particle Swarm Optimization (CALYPSO). Deze geautomatiseerde zoekopdracht was bedoeld om stabiele kristalstructuren te voorspellen met alleen chemische samenstellingen van een bepaalde verbinding onder gespecificeerde externe omstandigheden, zoals druk.

De CALYPSO-simulaties leverden eerst verschillende koolstofstructuren op die al experimenteel bekend zijn (zoals grafiet en diamant) of theoretisch voorgesteld (zoals chirale C ₆ ). De simulaties onthulden vervolgens de nieuwe Cco-C ₈ allotroop, een 3D-polymeer samengesteld uit dunne (2, 2) koolstofnanobuisjes onderling verbonden via koolstofringen met 4 en 6 leden, die ontstaat door de vorming van extra bindingen tussen koolstofatomen.

De simulaties toonden aan dat Cco-C ₈ heeft een Vickers-hardheid van 95,1 GPa, wat iets lager is dan de 97,5 GPa van diamant. Hoewel er verschillende manieren zijn om de hardheid van een materiaal te meten, Vickers-hardheid is een van de meest voorkomende methoden. Bij deze methode, een scherp voorwerp wordt samengeperst tot een materiaal, en de afmetingen van de resulterende inkeping worden gemeten.

“Hardheid wordt al ongeveer drie eeuwen gebruikt als een van de macroscopische mechanische eigenschappen van materialen, ’ legde Tian uit. “Meestal, hardheid kan macroscopisch worden gedefinieerd als het vermogen van een materiaal om te weerstaan ​​aan krassen of deuken door een ander. Onlangs, we hebben hardheid microscopisch gedefinieerd als de gecombineerde weerstand van chemische bindingen in een kristal tegen inkepingen.” ²

Hoewel Cco-C ₈ heeft een Vickers-hardheid die iets lager is dan die van diamant, de wetenschappers voorspellen dat Cco-C ₈ moet hard genoeg zijn om diamant te krassen en te kraken. Zoals Tian uitlegt, dit komt omdat Cco-C ₈ s druksterkte is hoger dan de afschuifsterkte van diamant.

“De mechanische sterkte of ideale sterkte van een materiaal hangt af van de belastingswijzen van trek, afschuiving en compressie, ' zei hij. “Bijvoorbeeld, zowel de treksterkte als de afschuifsterkte van diamant zijn ongeveer 90 GPa, terwijl de druksterkte tot 223 GPa is. Als het in het oppervlak van een enkel diamantkristal wordt geduwd, Cco-C ₈ aangezien een indenter zich voornamelijk in een gecomprimeerde toestand bevindt, de chemische bindingen van diamant onder het indenter zijn bestand tegen drukvervorming, en de bindingen rond het indringlichaam zijn bestand tegen afschuifvervorming. Hoewel Cco-C ₈ heeft een iets lagere hardheid dan diamant, de druksterkte van Cco-C ₈ moet veel hoger zijn dan de afschuifsterkte van diamant. Wanneer de spanning in de zone van de afschuifvervorming groter is dan de afschuifsterkte van diamant, er wordt een inkeping gevormd. Met andere woorden, Cco-C ₈ diamant kan kraken.”

Cco-C ₈ in de toekomst misschien niet zo moeilijk te synthetiseren. De simulaties toonden aan dat Cco-C ₈ is zeer stabiel; de nieuwe koolstofallotroop is energetisch gunstiger dan bijna alle andere theoretische koolstofstructuren. Ook, de simulaties suggereren dat Cco-C ₈ kan worden gesynthetiseerd door koolstofnanobuisbundels direct te comprimeren op een vergelijkbare manier als het synthetiseren van 3D C ₆₀ polymeren.

In feite, Cco-C ₈ mogelijk al onbewust gesynthetiseerd. Eerdere experimenten met de koude compressie van koolstofnanobuisbundels leverden een nieuwe fase van koolstof op die oorspronkelijk werd geïdentificeerd als P-62c. Echter, Tian en zijn co-auteurs denken dat de structuur waarschijnlijker was Cco-C ₈ .

In aanvulling, de onderzoekers verwachten dat andere nieuwe koolstofmaterialen met unieke fysieke eigenschappen kunnen worden gevormd door vergelijkbare compressietechnieken door nanobuisjes van verschillende grootte of andere koolstofstructuren te gebruiken. Ze zijn van plan om in de toekomst naar deze materialen te zoeken.

“Eerst, we zullen deze strategie gebruiken om meer nieuwe koolstofallotropen te ontwerpen, vooral geleidende superharde koolstoffen met gedeeltelijk sp ² -gehybridiseerde C-C bindingen (in de kristalstructuur van Cco-C ₈ , elk koolstofatoom is sp ³ -gehybridiseerd), ' zei Tian. “Ten tweede, we zullen proberen deze ontworpen koolstofmaterialen te synthetiseren met behulp van koolstofnanobuisjesbundels bij hoge druk en hoge temperatuur."

Hij voegde eraan toe dat Cco-C ₈ zou toepassingen kunnen hebben in velden waar diamant is gebruikt als een superhard materiaal. En als de CALYPSO-zoektocht ontdekt dat geleidende superharde koolstofmaterialen ze kunnen potentiële toepassingen hebben in elektronische apparaten.

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.