När världens aptit på kolbaserade material som grafit ökar, presenterade forskare från Ohio University denna vecka bevis för en ny kolfast substans som de kallade "amorf grafit".

Fysikern David Drabold och ingenjören Jason Trembly började med frågan:"Kan vi göra grafit av kol?"

"Grafit är ett viktigt kolmaterial med många användningsområden. En växande tillämpning för grafit är för batterianoder i litiumjonbatterier, och det är avgörande för elfordonsindustrin — en Tesla Model S behöver i genomsnitt 54 kg grafit. Sådana elektroder är bäst om de tillverkas av rena kolmaterial, som blir svårare att få tag på på grund av spiralteknisk efterfrågan", skriver de i sin artikel "Ab initio simulation of amorphous graphite", som publicerades idag i Physical Review Letters i> .

"Ab initio" betyder "från början", och deras arbete följer nya vägar till syntetiska former av grafit från naturligt förekommande kolhaltigt material. Det de hittade, med flera olika beräkningar, var ett skiktat material som bildas vid mycket höga temperaturer (ca 3000 grader Kelvin). Dess lager håller ihop på grund av bildandet av en elektrongas mellan lagren, men de är inte de perfekta lagren av hexagoner som utgör idealisk grafen. Detta nya material har gott om hexagoner, men även femhörningar och sexhörningar. Den ringstörningen minskar det nya materialets elektriska ledningsförmåga jämfört med grafen, men ledningsförmågan är fortfarande hög i de regioner som till stor del domineras av hexagoner.

Inte alla hexagoner

"Inom kemin kallas processen att omvandla kolhaltiga material till en skiktad grafitisk struktur genom termisk behandling vid hög temperatur grafitisering. I detta brev visar vi från ab initio och maskininlärning molekylära dynamiska simuleringar att rena kolnätverk har en överväldigande benägenhet att omvandla till en skiktad struktur i ett betydande täthet och temperaturfönster med skiktningen som sker även för slumpmässiga startkonfigurationer. De platta skikten är amorf grafen:topologiskt oordnade trekoordinerade kolatomer ordnade i plan med pentagoner, hexagoner och heptagoner av kol", säger Drabold. , framstående professor i fysik och astronomi vid College of Arts and Sciences vid Ohio University.

"Eftersom denna fas är topologiskt störd, respekteras det vanliga "staplingsregistret" för grafit endast statistiskt, säger Drabold. "Lagreringen observeras utan Van der Waals-korrigeringar av densitetsfunktionella (LDA och PBE) krafter, och vi diskuterar bildandet av en delokaliserad elektrongas i gallerierna (hålrum mellan plan) och visar att kohesion mellan plan delvis beror på denna låga- densitet elektrongas. Den elektroniska konduktiviteten i planet minskar dramatiskt i förhållande till grafen."

Forskarna förväntar sig att deras tillkännagivande kommer att stimulera experiment och studier som tar upp förekomsten av amorf grafit, som kan testas från exfoliering och/eller experimentella ytstrukturella sonder.

Trembly, Russ professor i maskinteknik och chef för Institutet för hållbar energi och miljö vid Russ College of Engineering and Technology vid Ohio University, har delvis arbetat med grön användning av kol. Han och Drabold – tillsammans med fysikdoktoranderna Rajendra Thapa, Chinonso Ugwumadu och Kishor Nepal – samarbetade i forskningen. Drabold är också en del av Nanoscale &Quantum Phenomena Institute vid OHIO, och han har publicerat en serie artiklar om teorin om amorft kol och amorft grafen. Drabold betonade också det utmärkta arbete som sina doktorander har utfört med denna forskning.

Överraskande sammanhållning mellan plan

"Frågan som ledde oss till detta är om vi kunde göra grafit från kol," sa Drabold. "Denna uppsats svarar inte helt på den frågan, men den visar att kol har en överväldigande tendens att skikta sig - som grafit, men med många "defekter" som pentagoner och heptagoner (fem- och sjuledade ringar av kolatomer), som passar ganska naturligt in i nätverket. Vi presenterar bevis för att amorf grafit existerar och vi beskriver dess bildningsprocess. Det har misstänkts från experiment att grafitisering sker nära 3 000 K, men detaljerna i bildningsprocessen och arten av oordning i planen var okänd", tillade han.

Forskarnas arbete från Ohio University är också en förutsägelse av en ny fas av kol.

"Tills vi gjorde detta var det inte alls självklart att lager av amorf grafen (planen inklusive femhörningar och sjuhörningar) skulle hålla ihop i en skiktad struktur. Jag tycker att det är ganska förvånande, och det är troligt att experimentalister kommer att gå på jakt efter detta. saker nu när dess existens är förutspådd," sa Drabold. "Kol är mirakelelementet - du kan göra liv, diamant, grafit, Bucky Balls, nanorör, grafen, och nu detta. Det finns mycket intressant grundläggande fysik i detta också - till exempel hur och varför planen binder, det här i sig är ganska överraskande av tekniska skäl." + Utforska vidare

Grafen är 3D såväl som 2D