В Японии проектируют алмаз, который будет тверже обычного

Компьютерные расчеты для разработки нового материала на основе углерода, но более твердого, чем алмаз, провели исследователи из Университета Цукуба, 1 июля сообщает журнал Рhys.org.

Углерод может образовывать множество стабильных форм, называемых аллотропами. К ним относятся привычный графит, а также наноматериалы, такие как углеродные нанотрубки. Механические свойства, в том числе твердость, аллотропа зависят главным образом от того, как его атомы связываются друг с другом.

В обычных алмазах каждый атом углерода образует ковалентную связь с четырьмя соседями. Химики называют такие атомы углерода гибридизацией sp3. В нанотрубках и некоторых других материалах каждый углерод образует три связи, называемые гибридизацией sp2.

Теперь исследователи из Японии решили понять, что произойдет, если атомы углерода будут расположены в более сложной структуре — со смесью гибридизации sp3 и sp2.

«Углеродные аллотропы с гибридизированными атомами sp2 и sp3 имеют большее морфологическое разнообразие из-за огромного количества комбинаций», — говорит один из исследователей Ясумару Фуджи.

Чтобы вычислить наиболее стабильную атомную конфигурацию, а также оценить ее твердость, группа опиралась на вычислительный метод, называемый теорией функционала плотности (DFT). DFT успешно используется в химии и физике твердого тела для прогнозирования структуры и свойств материалов.

Ученые обнаружили, что модуль Юнга — мера твердости — пентадиамонда, по прогнозам, составит почти 1700 ГПа, тогда как у обычного алмаза он составляет примерно 1200 ГПА.

«Пентадиамонд не только тверже обычного алмаза, но и имеет гораздо меньшую плотность, равную плотности графита», — объясняет соавтор исследования профессор Мина Маруяма.