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Pentadiamond-科学家发明了一种制造更硬钻石的方法

筑波大学(University of Tsukuba)的科学家利用计算机计算提出了一种重新排列钻石中的碳原子的新方法,从而使钻石更难切割,这可能在依赖人工切割钻石的工业应用中有用。

筑波大学(University of Tsukuba)的研究人员利用计算机计算设计出了一种比钻石还要坚硬的新型碳基材料。这种结构被称为五分之一。它的发明者发明的这种人造钻石,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成密集的晶格构成,以其硬度在已知材料中无与伦比而闻名。然而,碳可以形成许多其他的稳定构型,称为同素异形体。这些材料包括铅笔芯中常见的石墨,以及碳纳米管等纳米材料。同素异形体的机械性能,包括硬度,主要取决于其原子之间的结合方式。在传统的钻石中,每个碳原子与四个相邻原子形成共价键。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3个键,称为sp2杂化。

现在,筑波大学(University of Tsukuba)的研究人员已经探索了如果碳原子以sp3和sp2杂化混合的更复杂结构排列会发生什么。

sp2和sp3杂化原子的碳同素异形体由于网络中大量的组合和排列,具有更大的形态多样性。第一作者藤井泰丸说。

为了计算最稳定的原子结构,以及估计其硬度,该团队依靠一种叫做密度泛函理论(DFT)的计算方法。DFT已经成功地应用于化学和固态物理中,用于预测材料的结构和性能。跟踪一个样本中所有电子的量子态,特别是它们之间的相互作用,通常是一项棘手的任务。相反,DFT使用的是一种近似,它关注的是绕原子运行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,杨氏模量(一种测量硬度的方法)被预测为将近1700 GPa,而常规钻石约为1200 GPa。

五金刚石不仅比常规金刚石硬,其密度也低得多,与石墨的密度相当。合著者Mina Maruyama教授解释说。这个作品展示了从头设计材料的力量。除了工业切割和钻孔用途外,五秒还可以用来代替目前在科学研究中用来重现行星内部极端压力的金刚石砧芯;资深合著者冈田进说。

参考例句:五碳蒙:sp2和sp3原子组成的五边形网络的硬碳同素异形体。作者:藤井泰丸,Mina Maruyama, Nguyen Thanh Cuong和Susumu Okada, 2020年6月30日,物理评论快报。

DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.016001

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