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日造出比钻石更硬的人工钻石

2020年7月15日8:11 环球解密

    日本筑波大学(University of Tsukuba)的研究人员通过电脑计算,设计出一种比钻石更坚硬的新型碳基材料。发明者把它叫做“五角钻”(pentadiamond)。

    (University of Tsukuba)

    很久以来,人们都认为钻石是最坚硬的材料。碳原子构成多种同素异形体,包括石墨、碳纳米管等。各种材料的机械属性,包括硬度,主要取决于内部原子之间的绑定方式。

    普通钻石内,每个碳原子与相邻的四个原子组成共价键。化学家把这种结构叫做sp3混成。碳纳米管与其它一些碳基材料,每个碳原子组成三个绑定,称为sp2混成。

    筑波大学的研究人员探索了这两种混成结构兼有的复杂结构。“由于网络内的大量组合和排列方式,既有sp2混成原子又有sp3混成原子的碳材料形态更广泛。”这份研究的第一作者藤井靖(Yasumaru Fujii)说。

    研究人员使用密度泛函理论(DFT)算出最稳定的原子结构,并估计它的硬度。

    化学和固态物理学广泛使用密度泛函理论预测材料的结构和特性。可是要追踪样品中所有电子的量子态,特别是它们之间的相互作用,通常很困难。密度泛函理论使用近似模拟,聚焦于绕行原子的电子在轨道空间上的最终密度。这简化了计算,使其既够精确,又是电脑可以完成的任务。

    研究人员算出“五角钻”的硬度达到1700 GPa,普通钻石只有1200 GPa。

    合作研究者丸山美奈(Mina Maruyama)说:“五角钻比普通钻石更坚硬,可是密度却低很多,和石墨差不多。”

    研究人员表示,这项发明展示了利用电脑从零开始设计材料的实力。

    除了在工业切割上的应用,研究人员称,这种材料也可用于钻石对顶砧。这种设备利用两个钻石平面相互挤压,产生极高的压力,模拟极端条件从事研究。

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