(Phys.org) -- Een internationaal team onder leiding van Artem R. Oganov, doctoraat, een professor in theoretische kristallografie bij de afdeling Geowetenschappen aan de Stony Brook University, heeft de structuur van een nieuwe vorm van koolstof vastgesteld. De resultaten van hun werk, "De aard van superhard grafiet begrijpen, ” werden op 26 juni gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , een nieuw tijdschrift van de Nature Publishing Group.

Dr. Oganov en zijn team gebruikten een nieuwe computationele methode om aan te tonen dat de eigenschappen van wat eerder werd beschouwd als slechts een hypothetische structuur van een superharde vorm van koolstof genaamd "M-carbon" - gebouwd door Oganov in 2006 - perfect overeenkwam met de experimentele gegevens over "superhard grafiet".

“De meeste bekende vormen van koolstof hebben een kleurrijk verhaal over hun ontdekking en een veelvoud aan echte of potentiële revolutionaire toepassingen, ’ zei Oganov. “Denk aan diamant, op meer dan één manier een recordbrekend materiaal. Denk aan grafeen, voorbestemd om het materiaal van de elektronica van de toekomst te worden. Of van fullerenen, de ontdekking daarvan heeft het veld van de nanowetenschap in gang gezet.”

Het verhaal van weer een andere vorm van koolstof begon in 1963, toen Aust en Drickamer grafiet bij kamertemperatuur comprimeerden. Van grafiet bij hoge temperatuur is bekend dat het diamant produceert, maar bij kamertemperatuur werd een onbekende vorm van koolstof geproduceerd. Deze nieuwe vorm, zoals diamant, was transparant en superhard - maar de andere eigenschappen waren niet in overeenstemming met diamant of andere bekende vormen van koolstof.

"Het experiment zelf is eenvoudig en opvallend:je comprimeert zwart ultrazacht grafiet, en dan verandert het plotseling in een kleurloze, transparant, superharde en mysterieuze nieuwe vorm van koolstof - 'superhard grafiet, ’”, zei Oganov. “Het experiment werd sindsdien verschillende keren herhaald, en het resultaat was hetzelfde, maar er werd geen overtuigend constructiemodel geproduceerd, vanwege de lage resolutie van experimentele gegevens.”

Met behulp van zijn baanbrekende kristalstructuurvoorspellingsmethodologie, Oganov bouwde in 2006 een nieuwe, energiezuinige superharde structuur van "M-carbon." Dat werk resulteerde in een stroom wetenschappelijke artikelen die binnen twee jaar verschillende "alfabetische" structuren voorstelden, zoals F-, O-, P-, R-, S-, T-, W-, X-, Y-, Z-koolstoffen. "De ironie was dat de meeste van deze ook eigenschappen hadden die compatibel waren met experimentele waarnemingen op 'superhard grafiet'. Om onderscheid te maken tussen deze modellen, experimentele gegevens met een hogere resolutie en aanvullend theoretisch inzicht zijn vereist, ' zei hij.

Volgens Oganov, de reden waarom diamant niet wordt gevormd bij koude compressie van grafiet is dat de reconstructie die nodig is om grafiet in diamant om te zetten te groot is en gepaard gaat met een te grote energiebarrière, die alleen bij hoge temperaturen kan worden overwonnen, wanneer atomen ver kunnen springen. Bij lage temperaturen, grafiet kiest in plaats daarvan een transformatie geassocieerd met de laagste activeringsbarrière.

Men zou de structuur van 'superhard grafiet' kunnen vaststellen door uit te zoeken welke structuur de laagste vormingsbarrière van grafiet heeft. Om dat te doen, Oganov, zijn postdoctoraal medewerker Salah Eddine Boulfelfel, en hun Duitse collega, Professor Stefano Leoni, van de Technische Universiteit van Dresden, gebruikte een krachtige simulatiebenadering, recentelijk aangepast aan vaste materialen, bekend als transitiepad-sampling. Voor deze simulaties waren enkele van 's werelds krachtigste supercomputers nodig, en ten slotte bewezen dat "superhard grafiet" inderdaad identiek is aan M-koolstof, eerder voorspeld door Oganov.

“Deze berekeningen zijn technisch zeer uitdagend, en het kostte ons vele maanden om ze uit te voeren en te analyseren. Op zoek naar de waarheid, je moet voorbereid zijn op elke uitkomst, en we waren klaar om te accepteren als een van de vele voorgestelde structuren de wedstrijd zou winnen. Maar we hebben geluk gehad, en ons eigen voorstel – M-carbon – won, ’ zei Oganov.

Een ander resultaat van deze studie is een reeks gedetailleerde mechanismen voor de vorming van verschillende potentiële koolstofallotropen. Deze zouden kunnen worden gebruikt om manieren van hun synthese te ontwikkelen voor potentiële technologische toepassingen.

“We weten nog niet welke toepassingen M-carbon zal vinden, maar de meeste vormen van koolstof wisten revolutionaire toepassingen te vinden, en dit verbazingwekkende materiaal zou dat ook kunnen doen, ’ zei Oganov.