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科学家使用计算机:规划制造出“五角”超硬钻石!比钻石还要硬?

来自筑波大学的科学家使用核算机核算规划了一种新的碳基资料,其硬度乃至比钻石还高。这种被发明者称为“五角钻石”的结构,或许有助于在困难的切开制作使命中替代现在的组成钻石。钻石完全由摆放在细密晶格中的碳原子组成,以其在已知资猜中无与伦比的硬度而出名。但是,碳能够构成许多其他安稳的构型,称为同素异形体。

其间包含铅笔芯中常见的石墨,以及碳纳米管等纳米资料。同素异形体的机械功能,包含硬度,首要取决于原子彼此结合的方法。在传统钻石中,每个碳原子与四个街坊构成共价键。化学家称这样的碳原子为SP3杂化。在纳米管和其他一些资猜中,每个碳构成三个键,称为sp2杂化。现在,筑波大学科技讯探究了假如碳原子摆放成更杂乱的结构,并混合了sp3和sp2结合会产生什么?

因为晶格网络中很多的组合和摆放,具有sp2和sp3杂化原子的碳同素异形体具有更大的形状多样性。为了核算最安稳的原子构型,以及估量其硬度,研讨小组依赖于一种名为密度泛函理论(DFT)的核算方法。密度泛函理论已被成功地应用于化学和固体物理中,用来猜测资料的结构和功能。盯梢样本中所有电子的量子态,特别是它们的彼此作用,通常是一项扎手的使命。

取而代之的是,密度泛函理论使用了一个近似值,它重视的是环绕原子运转的电子在空间中的终究密度。这简化了核算,使其适用于核算机,一起依然供给十分准确的成果。科学家们发现,“五角钻石”的杨氏模量估计挨近1700 GPa,而传统钻石的杨氏模量约为1200 GPa。五角钻石不只比一般钻石坚固,其密度也要低得多,与石墨适当。这项研讨工作展现了科学家使用核算机从头开始规划资料的才能。

除了工业切开和钻探用处,“五角钻石”或许会被用来替代现在用于科学研讨的钻石砧单元,以重现行星内部的极点压力。“五角钻石”在密度泛函理论的基础上,对C原子进行了研讨。理论研讨标明,“五角钻石”是一种亚稳态的三维碳同素异构体。具有明显力学功能的空间群:相对较高的体积模量(381GPa)和负泊松比0.241。相应地,“五角钻石”具有极高的杨氏模量和剪切模量,分别为1691 GPa和1113 GPa。

这超过了金刚石的杨氏模量和剪切模量,一起“五角钻石”电子结构是半导体,其直接带隙为2.52 eV和X分别为价带边和导带边的点,载流子质量相对较小。

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