比鑽石還要硬，科學家利用計算機：設計製造出「五角」超硬鑽石
2020-07-02 博科園來自筑波大學的科學家利用計算機計算設計了一種新的碳基材料，其硬度甚至比鑽石還高。這種被發明者稱為「五角鑽石」的結構，可能有助於在困難的切割製造任務中取代目前的合成鑽石。鑽石完全由排列在緻密晶格中的碳原子組成，以其在已知材料中無與倫比的硬度而聞名。然而，碳可以形成許多其他穩定的構型，稱為同素異形體。
其中包括鉛筆芯中常見的石墨，以及碳納米管等納米材料。同素異形體的機械性能，包括硬度，主要取決於原子相互結合的方式。在傳統鑽石中，每個碳原子與四個鄰居形成共價鍵。化學家稱這樣的碳原子為SP3雜化。在納米管和其他一些材料中，每個碳形成三個鍵，稱為sp2雜化。現在，筑波大學科技訊探索了如果碳原子排列成更複雜的結構，並混合了sp3和sp2結合會發生什麼？
由於晶格網絡中大量的組合和排列，具有sp2和sp3雜化原子的碳同素異形體具有更大的形態多樣性。為了計算最穩定的原子構型，以及估計其硬度，研究小組依賴於一種名為密度泛函理論(DFT)的計算方法。密度泛函理論已被成功地應用於化學和固體物理中，用來預測材料的結構和性能。跟蹤樣本中所有電子的量子態，特別是它們的相互作用，通常是一項棘手的任務。
取而代之的是，密度泛函理論使用了一個近似值，它關注的是圍繞原子運行的電子在空間中的最終密度。這簡化了計算，使其適用於計算機，同時仍然提供非常精確的結果。科學家們發現，「五角鑽石」的楊氏模量（衡量硬度的指標）預計接近1700 GPa，而傳統鑽石的楊氏模量約為1200 GPa。五角鑽石不僅比普通鑽石堅硬，其密度也要低得多，與石墨相當。這項研究工作展示了科學家利用計算機從頭開始設計材料的能力。
除了工業切割和鑽探用途，「五角鑽石」可能會被用來取代目前用於科學研究的鑽石砧單元，以重現行星內部的極端壓力。「五角鑽石」（SP2和SP3）在密度泛函理論的基礎上，對C原子進行了研究。理論研究表明，「五角鑽石」是一種亞穩態的三維碳同素異構體。具有顯著力學性能的空間群：相對較高的體積模量(381GPa)和負泊松比−0.241。相應地，「五角鑽石」具有極高的楊氏模量和剪切模量，分別為1691 GPa和1113 GPa。
這超過了金剛石的楊氏模量和剪切模量，同時「五角鑽石」電子結構是半導體，其間接帶隙為2.52 eV和X分別為價帶邊和導帶邊的點，載流子質量相對較小。
博科園｜研究/來自：筑波大學
參考期刊《物理評論快報》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.016001
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比鑽石更硬的物質出現了
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首次在室溫下製造出鑽石以及Lonsdaleite鑽石
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目前世界最硬的物質——聚合鑽石納米棒
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人造宇宙神石成功硬度世界最強 比鑽石還要硬60倍
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