日造出比鑽石更硬的人工鑽石

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【大紀元2020年07月15日訊】(大紀元記者張妮編譯)日本築波大學(University of Tsukuba)的研究人員通過電腦計算,設計出一種比鑽石更堅硬的新型碳基材料。發明者把它叫做「五角鑽」(pentadiamond)。

很久以來,人們都認為鑽石是最堅硬的材料。碳原子構成多種同素異形體,包括石墨、碳納米管等。各種材料的機械屬性,包括硬度,主要取決於內部原子之間的綁定方式。

普通鑽石內,每個碳原子與相鄰的四個原子組成共價鍵。化學家把這種結構叫做sp3混成。碳納米管與其它一些碳基材料,每個碳原子組成三個綁定,稱為sp2混成。

築波大學的研究人員探索了這兩種混成結構兼有的複雜結構。「由於網絡內的大量組合和排列方式,既有sp2混成原子又有sp3混成原子的碳材料形態更廣泛。」這份研究的第一作者籐井靖(Yasumaru Fujii)說。

研究人員使用密度泛函理論(DFT)算出最穩定的原子結構,並估計它的硬度。

化學和固態物理學廣泛使用密度泛函理論預測材料的結構和特性。可是要追蹤樣品中所有電子的量子態,特別是它們之間的相互作用,通常很困難。密度泛函理論使用近似模擬,聚焦於繞行原子的電子在軌道空間上的最終密度。這簡化了計算,使其既夠精確,又是電腦可以完成的任務。

研究人員算出「五角鑽」的硬度達到1700 GPa,普通鑽石只有1200 GPa。

合作研究者丸山美奈(Mina Maruyama)說:「五角鑽比普通鑽石更堅硬,可是密度卻低很多,和石墨差不多。」

研究人員表示,這項發明展示了利用電腦從零開始設計材料的實力。

除了在工業切割上的應用,研究人員稱,這種材料也可用於鑽石對頂砧。這種設備利用兩個鑽石平面相互擠壓,產生極高的壓力,模擬極端條件從事研究。◇

責任編輯:朱涵儒

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