Ördöngős szénszerkezet

A Tsukuba Egyetem tudósai számítógépes szimuláció segítségével új módszert javasolnak a gyémánt szénatomjainak átrendezésére, hogy az így keletkező “szupergyémánt” még keményebbé váljon. Ez az ipari alkalmazásokban lehet hasznos, ahol nagy az igény a szintetikus vágó-gyémántokra.

A gyémántok teljes egészében szénatomokból állnak sűrű rácsban elrendezve, és híresek páratlan keménységükről. A szén azonban számos más stabil konfigurációt is alkothat, ezeket allotrope-oknak nevezünk. Ide tartozik a ceruzabélből ismerős grafit, valamint a nanoanyagok, például a szénnanocsövek.

Szénalapú kötődés

Az allotrópok mechanikai tulajdonságai - beleértve a keménységet is - főleg az atomok egymáshoz való kötődésének módjától függenek. A hagyományos gyémántban minden szénatom négy szomszédjával képez kovalens kötést. Az ilyen szerkezetű szénatomokat a kémikusok sp³ hibridizációnak nevezik. A nanocsövekben és néhány egyéb anyagban, mindegyik szénatom három kötést képez, melyet sp² hibridizációnak hívunk.

A Tsukuba Egyetem kutatói most megnézték, hogy mi történik, ha a szénatomokat összetettebb struktúrában rendezik el az sp³ és az sp² hibridizáció keverésével.

"Az sp² és az sp³ hibridizált atomokat egyaránt tartalmazó karbon allotrópoknál nagyobb morfológiai sokféleség mutatkozik meg, mivel a hálózataikban sokféle kombináció és elrendezés található" - mondta Yasumaru Fujii a tanulmány első szerzője.

A legstabilabb atomkonfiguráció kiszámításához, valamint keménységének becsléséhez a csoport egy sűrűségfüggvényelméletnek (DFT) nevezett számítási módszerre támaszkodott. A DFT-t sikeresen alkalmazzák a kémiában és szilárdtest-fizikában az anyagok szerkezetének és tulajdonságainak előrejelzésére.

A mintában lévő összes elektron kvantumállapotának és különösen azok kölcsönhatásainak nyomon követése rendszerint bonyolult feladat. Ehelyett a DFT olyan közelítést alkalmaz, amely az atomok körül keringő elektronok végsűrűségére összpontosít. Ez kellően leegyszerűsíti a számítást ahhoz, hogy a mai számítógépek is alkalmasak legyenek az elvégzésére, miközben továbbra is nagy pontosságú eredményeket szolgáltat. 

A tudósok úgy találták, hogy a pentagyémánt Young-féle keménységi mértéke várhatóan csaknem 1700 GPa, szemben a hagyományos gyémánt mintegy 1200 GPa értékével.

"A pentagyémánt nem csak keményebb, mint a hagyományos gyémánt, de a sűrűsége is jóval alacsonyabb, megegyezik a grafitéval"

- magyarázta Mina Maruyama professzor és társszerző.  

„Ez a munka megmutatja az anyagok megtervezésének erejét ab initio. Az ipari daraboláson és fúráson kívül, a pentagyémántokat jelenleg a tudományos kutatásokban használt gyémánt üllőcellák helyett is felhasználhatják, hogy létrehozzák a bolygók belsejében tapasztalható szélsőséges nyomást”- mondta Susumu Okada vezető társszerző.

(Forrás: PRL Képek: Pixabay, Pexels)