En länge eftertraktad klass av "superdiamant" kolbaserade material med avstämbara mekaniska och elektroniska egenskaper förutspåddes och syntetiserades av Carnegies Li Zhu och Timothy Strobel. Deras arbete är publicerat av Vetenskapens framsteg .

Kol är det fjärde mest förekommande elementet i universum och är grundläggande för livet som vi känner det. Den är oöverträffad i sin förmåga att bilda stabila strukturer, både ensam och med andra element.

Ett material egenskaper bestäms av hur dess atomer är bundna och de strukturella arrangemang som dessa bindningar skapar. För kolbaserade material, typen av bindning gör skillnaden mellan hårdheten hos diamant, som har tredimensionella "sp3"-bindningar, och mjukheten hos grafit, som har tvådimensionella "sp2"-bindningar, till exempel.

Trots den enorma mångfalden av kolföreningar, bara en handfull tredimensionellt, sp3-bundna kolbaserade material är kända, inklusive diamant. Den tredimensionella bindningsstrukturen gör dessa material mycket attraktiva för många praktiska tillämpningar på grund av en rad egenskaper inklusive styrka, hårdhet, och värmeledningsförmåga.

"Bortsett från diamant och några av dess analoger som innehåller ytterligare element, nästan inga andra utökade sp3 kolmaterial har skapats, trots många förutsägelser om potentiellt syntetiserbara strukturer med denna typ av bindning, ", förklarade Strobel. "Att följa en kemisk princip som indikerar att man lägger till bor i strukturen kommer att förbättra dess stabilitet, vi undersökte en annan 3-D-bunden klass av kolmaterial som kallas klatrater, som har en gitterstruktur av burar som fångar andra typer av atomer eller molekyler."

Klatrater som består av andra element och molekyler är vanliga och har syntetiserats eller hittats i naturen. Dock, kolbaserade klatrater har inte syntetiserats förrän nu, trots långvariga förutsägelser om deras existens. Forskare försökte skapa dem i mer än 50 år.

Strobel, Zhu, och deras team—Carnegies Gustav M. Borstad, Hanyu Liu, Piotr A. Gucka, Michael Gurette, Juli-Anna Dolyniuk, Yue Meng, och Ronald Cohen, samt Eran Greenberg och Vitali Prakapenka från University of Chicago och Brian L. Chaloux och Albert Epshteyn från U.S. Naval Research Laboratory – närmade sig problemet genom en kombinerad beräknings- och experimentell metod.

"Vi använde avancerade struktursökningsverktyg för att förutsäga det första termodynamiskt stabila kolbaserade klatratet och syntetiserade sedan klatratstrukturen, som består av kol-borburar som fångar strontiumatomer, under högt tryck och höga temperaturer, " sa Zhu.

Resultatet är en 3D, Kolbaserat ramverk med diamantliknande bindning som är återhämtningsbart till omgivande förhållanden. Men till skillnad från diamant, strontiumatomerna som fångas i burarna gör materialet metalliskt – vilket betyder att det leder elektricitet – med potential för supraledning vid särskilt hög temperatur.

Vad mer, egenskaperna hos klatratet kan ändras beroende på typen av gästatomer i burarna.

"De fångade gästatomerna interagerar starkt med värdburarna, ", anmärkte Strobel. "Beroende på de specifika gästatomerna som finns, klatratet kan ställas in från en halvledare till en supraledare, allt med bibehållen robusthet, diamantliknande bindningar. Med tanke på det stora antalet möjliga ersättningar, vi föreställer oss en helt ny klass av kolbaserade material med mycket inställbara egenskaper."

"För alla som gillar – eller vars barn är intresserade av – Pokémon, denna kolbaserade klatratstruktur är som materialens Eevee, " skämtade Zhu. "Beroende vilket element det fångar, den har olika förmågor."