比鉆石還要硬，科學(xué)家利用計(jì)算機(jī)：設(shè)計(jì)制造出“五角”超硬鉆石

來自筑波大學(xué)的科學(xué)家利用計(jì)算機(jī)計(jì)算設(shè)計(jì)了一種新的碳基材料，其硬度甚至比鉆石還高。這種被發(fā)明者稱為“五角鉆石”的結(jié)構(gòu)，可能有助于在困難的切割制造任務(wù)中取代目前的合成鉆石。鉆石完全由排列在致密晶格中的碳原子組成，以其在已知材料中無與倫比的硬度而聞名。然而，碳可以形成許多其他穩(wěn)定的構(gòu)型，稱為同素異形體。

其中包括鉛筆芯中常見的石墨，以及碳納米管等納米材料。同素異形體的機(jī)械性能，包括硬度，主要取決于原子相互結(jié)合的方式。在傳統(tǒng)鉆石中，每個(gè)碳原子與四個(gè)鄰居形成共價(jià)鍵?；瘜W(xué)家稱這樣的碳原子為SP3雜化。在納米管和其他一些材料中，每個(gè)碳形成三個(gè)鍵，稱為sp2雜化?，F(xiàn)在，筑波大學(xué)科技訊探索了如果碳原子排列成更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并混合了sp3和sp2結(jié)合會(huì)發(fā)生什么？

由于晶格網(wǎng)絡(luò)中大量的組合和排列，具有sp2和sp3雜化原子的碳同素異形體具有更大的形態(tài)多樣性。為了計(jì)算最穩(wěn)定的原子構(gòu)型，以及估計(jì)其硬度，研究小組依賴于一種名為密度泛函理論(DFT)的計(jì)算方法。密度泛函理論已被成功地應(yīng)用于化學(xué)和固體物理中，用來預(yù)測(cè)材料的結(jié)構(gòu)和性能。跟蹤樣本中所有電子的量子態(tài)，特別是它們的相互作用，通常是一項(xiàng)棘手的任務(wù)。

取而代之的是，密度泛函理論使用了一個(gè)近似值，它關(guān)注的是圍繞原子運(yùn)行的電子在空間中的最終密度。這簡(jiǎn)化了計(jì)算，使其適用于計(jì)算機(jī)，同時(shí)仍然提供非常精確的結(jié)果?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，“五角鉆石”的楊氏模量（衡量硬度的指標(biāo)）預(yù)計(jì)接近1700 GPa，而傳統(tǒng)鉆石的楊氏模量約為1200 GPa。五角鉆石不僅比普通鉆石堅(jiān)硬，其密度也要低得多，與石墨相當(dāng)。這項(xiàng)研究工作展示了科學(xué)家利用計(jì)算機(jī)從頭開始設(shè)計(jì)材料的能力。

除了工業(yè)切割和鉆探用途，“五角鉆石”可能會(huì)被用來取代目前用于科學(xué)研究的鉆石砧單元，以重現(xiàn)行星內(nèi)部的極端壓力?！拔褰倾@石”（SP2和SP3）在密度泛函理論的基礎(chǔ)上，對(duì)C原子進(jìn)行了研究。理論研究表明，“五角鉆石”是一種亞穩(wěn)態(tài)的三維碳同素異構(gòu)體。具有顯著力學(xué)性能的空間群：相對(duì)較高的體積模量(381GPa)和負(fù)泊松比0.241。相應(yīng)地，“五角鉆石”具有極高的楊氏模量和剪切模量，分別為1691 GPa和1113 GPa。

這超過了金剛石的楊氏模量和剪切模量，同時(shí)“五角鉆石”電子結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體，其間接帶隙為2.52 eV和X分別為價(jià)帶邊和導(dǎo)帶邊的點(diǎn)，載流子質(zhì)量相對(duì)較小。

博科園｜研究/來自：筑波大學(xué)

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.016001

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