Wanneer koolstofatomen zich opstapelen tot een perfect herhalend driedimensionaal kristal, kunnen ze kostbare diamanten vormen. Anders gerangschikt, in zich herhalende platte vellen, maakt koolstof het glanzende grijze grafiet dat in potloden wordt gevonden. Maar er zijn andere vormen van koolstof die minder goed worden begrepen. Amorfe koolstof - meestal een roetzwart materiaal - heeft geen repetitieve moleculaire structuur, waardoor het een uitdaging is om te studeren.

Nu hebben onderzoekers van de Pritzker School of Molecular Engineering (PME) van de Universiteit van Chicago een nieuw raamwerk gebruikt om de elektronische eigenschappen van amorfe koolstof te begrijpen. Hun bevindingen laten wetenschappers beter voorspellen hoe het materiaal elektriciteit geleidt en licht absorbeert, en werden gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences .

"We moeten begrijpen hoe ongeordende koolstof op moleculair niveau werkt om dit materiaal te kunnen ontwikkelen voor toepassingen zoals de omzetting van zonne-energie", zegt Giulia Galli, de Liew Family Professor of Molecular Engineering en Professor of Chemistry aan de Universiteit van Chicago. Galli heeft ook een aanstelling als senior wetenschapper bij het Argonne National Laboratory, waar ze de directeur is van het MICCoM-centrum.

Decennialang hebben wetenschappers de manier waarop de atomen bewegen in amorf koolstof gemodelleerd met behulp van de wetten van de klassieke mechanica - de reeks vergelijkingen die bijvoorbeeld beschrijven hoe een auto versnelt of hoe een bal door de lucht valt. Voor sommige zware atomen van het periodiek systeem zijn deze klassieke vergelijkingen een goede benadering om veel van de materiaaleigenschappen nauwkeurig vast te leggen. Maar voor veel vormen van koolstof, en in het bijzonder amorfe koolstoffen, heeft het team onder leiding van Galli ontdekt dat het gebruik van deze klassieke vergelijkingen om de beweging van atomen te beschrijven, tekortschiet.

"Amorfe koolstof heeft veel eigenschappen die het waardevol maken voor een aantal toepassingen, maar het is een uitdaging om de eigenschappen ervan op fundamenteel niveau te modelleren en te simuleren", zegt postdoctoraal onderzoeker Arpan Kundu, Ph.D., de eerste auteur van het artikel.

Galli heeft de afgelopen dertig jaar kwantummechanische methoden ontwikkeld en toegepast om de eigenschappen van moleculen en vaste stoffen te modelleren en te simuleren. Ze deed oorspronkelijk onderzoek naar amorfe koolstof aan het begin van haar carrière en is onlangs met nieuwe inzichten de uitdaging aangegaan.

Galli, Kundu en niet-gegradueerd natuurkundig onderzoeker Yunxiang (Tony) Song voerden nieuwe simulaties uit van de elektronische eigenschappen van amorfe koolstof, dit keer door kwantumprincipes te integreren om de bewegingen van zowel de elektronen als de kernen van koolstofatomen te beschrijven. Ze ontdekten dat het gebruik van kwantummechanica voor beide - in plaats van klassieke mechanica voor de kernen - van cruciaal belang is om de eigenschappen van amorfe koolstof nauwkeurig te voorspellen.

Met behulp van hun verfijnde, kwantummechanische modellen voorspelde het PME-team bijvoorbeeld een hogere elektrische geleidbaarheid dan anders zou zijn verwacht.

De bevindingen gerapporteerd in de PNAS artikel zijn niet alleen nuttig voor het begrijpen van amorfe koolstof, maar ook voor andere vergelijkbare amorfe vaste stoffen, aldus de onderzoekers. Maar ze wezen er ook op dat er nog veel werk aan de winkel is - ongeordende koolstofmaterialen kunnen radicaal andere eigenschappen vertonen, afhankelijk van hun dichtheid, die op zijn beurt afhangt van de methode die wordt gebruikt om het materiaal te bereiden.

"Als iets in een kristal is gerangschikt, weet je precies wat de structuur is, maar als het eenmaal ontregeld is, kan het op veel mogelijke manieren ontregeld zijn", zei Kundu.

Het team is van plan om door te gaan met het bestuderen van amorfe koolstof en de mogelijke toepassingen ervan. + Verder verkennen

Oorsprong van de bosonpiek in amorfe vaste stoffen