2020年7月2
筑波大学的研究人员利用计算机计算设计了一种新的碳基材料，甚至比钻石还硬。这种结构被其创造者称为“五颗钻石”，可能会在困难的切割制造任务中取代目前的人造钻石。
钻石完全由碳原子排列在密集的晶格中构成，以其无与伦比的硬度而闻名于世。亚博网站下载然而，碳可以形成许多其他稳定的结构，称为同素异形体。
这些材料包括铅笔铅中的石墨，以及像碳纳米管这样的纳米材料。亚博网站下载同素异形体的机械性质，包括硬度，主要取决于其原子之间的键合方式。
在传统钻石中，每个碳原子与四个邻原子形成共价键。化学家称这样的碳原子为sp3杂化。在纳米管和其他一些材料中，每个碳形成三个键，称为sp2杂亚博网站下载化。
现在，筑波大学(University of Tsukuba)的研究人员探索了如果碳原子以更复杂的sp3和sp2杂化结构排列会发生什么。
“具有sp2和sp3杂化原子的碳同素异形体具有更大的形态多样性，因为它们在网络中有大量的组合和排列，”第一作者藤井康丸说。
为了计算最稳定的原子构型，并估计其硬度，研究小组依靠一种称为密度泛函理论(DFT)的计算方法。DFT已成功地应用于整个化学和固体物理学，以预测材料的结构和性质。亚博网站下载
跟踪样品中所有电子的量子态，尤其是它们之间的相互作用，通常是一项棘手的任务。相反，DFT使用了一种近似方法，聚焦于环绕原子的空间中电子的最终密度。
这简化了计算，使其适用于计算机，同时仍然提供非常精确的结果。科学家们发现，五颗钻石的杨氏模量(衡量硬度的指标)预计接近1700 GPa，而传统钻石的杨氏模量约为1200 GPa。
“五金刚石不仅比传统钻石坚硬，密度也低得多，与石墨相当，合著者丸山敏娜教授解释道。“这项工作显示了材料从头设计的力量。亚博网站下载除了工业切割和钻探用途外，五颗钻石还可以用来代替目前用于科学研究的钻石砧单元，以重现行星内部的极端压力。”资深合著者冈田进教授说。
来源:http://www.tsukuba.ac.jp/en/