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。

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？

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。

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。

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。

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》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.016001

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