Forskare vid University of Tsukuba använde datorberäkningar för att designa ett nytt kolbaserat material ännu hårdare än diamant. Denna struktur, kallad "pentadiamond" av dess skapare, kan vara användbart för att ersätta nuvarande syntetiska diamanter i svåra skärande tillverkningsuppgifter.

Ruter, som är gjorda helt av kolatomer arrangerade i ett tätt gitter, är kända för sin oöverträffade hårdhet bland kända material. Dock, kol kan bilda många andra stabila konfigurationer, kallas allotroper. Dessa inkluderar den välkända grafiten i blyertspennor, samt nanomaterial som kolnanorör. De mekaniska egenskaperna, inklusive hårdhet, av en allotrop beror mest på hur dess atomer binder till varandra. I konventionella diamanter, varje kolatom bildar en kovalent bindning med fyra grannar. Kemister kallar kolatomer som denna för att ha sp3 -hybridisering. I nanorör och några andra material, varje kol bildar tre bindningar, kallas sp2 -hybridisering.

Nu, forskare vid University of Tsukuba har undersökt vad som skulle hända om kolatomer skulle ordnas i en mer komplex struktur med en blandning av sp3- och sp2 -hybridisering.

"Kolallotroper med både sp2- och sp3 -hybridiserade atomer har större morfologisk mångfald på grund av det stora antalet kombinationer och arrangemang i nätverk, "säger författaren Yasumaru Fujii.

För att beräkna den mest stabila atomkonfigurationen, samt uppskatta dess hårdhet, laget förlitade sig på en beräkningsmetod som kallas densitetsfunktionell teori (DFT). DFT har framgångsrikt använts i hela kemi och fastfysik för att förutsäga strukturen och egenskaperna hos material. Håller koll på kvanttillstånden för alla elektroner i ett prov, och särskilt deras interaktioner, är vanligtvis en svår uppgift. Istället, DFT använder en approximation som fokuserar på slutdensiteten hos elektroner i rymden som kretsar runt atomerna.

Detta förenklar beräkningen för att göra den lämplig för datorer, samtidigt som de ger mycket exakta resultat. Forskarna fann att Youngs modul, ett mått på hårdhet, av pentadiamond förutspåddes vara nästan 1700 GPa, jämfört med cirka 1200 GPa för konventionell diamant.

"Pentadiamond är inte bara hårdare än konventionell diamant, dess densitet är mycket lägre, lika med grafit, "förklarar medförfattaren professor Mina Maruyama.

"Detta arbete visar kraften i att designa material ab initio. Förutom industriell skärning och borrning, pentadiamonds kan användas istället för diamantstädceller som för närvarande används i vetenskaplig forskning för att återskapa det extrema trycket inuti planeter, "sa senior medförfattare professor Susumu Okada.