博科园比钻石还要硬，科学家利用计算机：设计制造出“五角”超硬钻石！
来自筑波大学的科学家利用计算机计算设计了一种新的碳基材料 ， 其硬度甚至比钻石还高 。 这种被发明者称为“五角钻石”的结构 ， 可能有助于在困难的切割制造任务中取代目前的合成钻石 。 钻石完全由排列在致密晶格中的碳原子组成 ， 以其在已知材料中无与伦比的硬度而闻名 。 然而 ， 碳可以形成许多其他稳定的构型 ， 称为同素异形体 。
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其中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 ， 主要取决于原子相互结合的方式 。 在传统钻石中 ， 每个碳原子与四个邻居形成共价键 。 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 ， 每个碳形成三个键 ， 称为sp2杂化 。 现在 ， 筑波大学科技讯探索了如果碳原子排列成更复杂的结构 ， 并混合了sp3和sp2结合会发生什么？
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由于晶格网络中大量的组合和排列 ， 具有sp2和sp3杂化原子的碳同素异形体具有更大的形态多样性 。 为了计算最稳定的原子构型 ， 以及估计其硬度 ， 研究小组依赖于一种名为密度泛函理论(DFT)的计算方法 。 密度泛函理论已被成功地应用于化学和固体物理中 ， 用来预测材料的结构和性能 。 跟踪样本中所有电子的量子态 ， 特别是它们的相互作用 ， 通常是一项棘手的任务 。
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取而代之的是 ， 密度泛函理论使用了一个近似值 ， 它关注的是围绕原子运行的电子在空间中的最终密度 。 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 ， “五角钻石”的杨氏模量（衡量硬度的指标）预计接近1700 GPa ， 而传统钻石的杨氏模量约为1200 GPa 。 五角钻石不仅比普通钻石坚硬 ， 其密度也要低得多 ， 与石墨相当 。 这项研究工作展示了科学家利用计算机从头开始设计材料的能力 。
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除了工业切割和钻探用途 ， “五角钻石”可能会被用来取代目前用于科学研究的钻石砧单元 ， 以重现行星内部的极端压力 。 “五角钻石”（SP2和SP3）在密度泛函理论的基础上 ， 对C原子进行了研究 。 理论研究表明 ， “五角钻石”是一种亚稳态的三维碳同素异构体 。 具有显著力学性能的空间群：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 。
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这超过了金刚石的杨氏模量和剪切模量 ， 同时“五角钻石”电子结构是半导体 ， 其间接带隙为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 。
博科园｜研究/来自：筑波大学
参考期刊《物理评论快报》
博科园｜科学、科技、科研、科普
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