计算机计算有助于设计比钻石更硬的碳基材料

筑波大学的研究人员利用计算机计算设计了一种新的碳基材料，甚至比钻石还硬。这种结构被其创造者称为“五颗钻石”，可能会在困难的切割制造任务中取代目前的人造钻石。

钻石完全由碳原子排列在密集的晶格中构成，以其无与伦比的硬度而闻名于世。欧洲杯足球竞彩然而，碳可以形成许多其他稳定的结构，称为同素异形体。

这些材料包括铅笔铅中的石墨，以及像碳纳米管这样的纳米材料。欧洲杯足球竞彩同素异形体的机械性质，包括硬度，主要取决于其原子之间的键合方式。

在传统钻石中，每个碳原子与四个邻原子形成共价键。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杂欧洲杯足球竞彩化。

现在，筑波大学的研究人员已经探索了如果碳原子排列成更复杂的结构，SP3和SP2杂交的话会发生什么。

“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，因为它们在网络中有大量的组合和排列，”第一作者藤井康丸说。

为了计算最稳定的原子构型，并估计其硬度，研究小组依靠一种称为密度泛函理论(DFT)的计算方法。DFT已成功地应用于整个化学和固体物理学，以预测材料的结构和性质。欧洲杯足球竞彩

跟踪样品中所有电子的量子态，尤其是它们之间的相互作用，通常是一项棘手的任务。相反，DFT使用了一种近似方法，聚焦于环绕原子的空间中电子的最终密度。

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，五颗钻石的杨氏模量(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。

“五角金刚石不仅比普通金刚石更硬，而且密度比石墨低得多，合著者Mina Maruyama教授解释道。这项工作从一开始就展示了材料设计的力量。除了工业切割和钻孔用途外，五颗钻石还可以欧洲杯足球竞彩用来代替目前用于科学研究的钻石砧，以重现行星内部的极端压力资深合著者冈田进教授说。

资料来源：http://www.tsukuba.ac.jp/en/