(PhysOrg.com) -- Genom att applicera extremt tryck för att komprimera och platta till kolnanorör, forskare har upptäckt att de kan skapa en ny kolpolymer som simuleringar visar är tillräckligt svår för att knäcka diamant. Den tryckinducerade bildningsprocessen av den nya kolallotropen, kallas Cco-C ₈ , liknar 3D-polymerisationen av den fotbollsliknande buckminsterfullerenen, C ₆₀ , vid högt tryck. När kolnanorörsbunten utsätts för ytterligare komprimering, den blir ännu mer förvrängd och tillplattad för att producera Cco-C ₈ strukturera.

Forskarna, ledd av professor Yongjun Tian från State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology vid Yanshan University i Qinhuangdao, Kina, har publicerat sin studie om det nya superhårda kolet i ett färskt nummer av Fysiska granskningsbrev . ¹

"Stjärnmaterial kol finns i olika arkitekturer på grund av dess förmåga att bilda sp-, sp ² -, och sp ³ -hybridiserade bindningar, fostra grafit, diamant, lonsdaleite, karbin, chaoite, amorft kol, nanorör, fullerener, grafen, och så vidare, " berättade Tian PhysOrg.com . "Dessa kolallotroper har enastående och oöverträffade egenskaper, såväl som unik vetenskaplig och teknisk betydelse, så att sökandet efter nya kolallotroper länge har varit ett hett ämne i vetenskapliga forskningsgemenskaper. Den största betydelsen av detta arbete ligger i den nya strategin att direkt komprimera kolnanorörsbuntar för att designa och syntetisera nya metastabila kolallotroper. Denna strategi innebär att vissa metastabila faser av kol med högre energi också kan erhållas experimentellt."

Som forskarna förklarar, att applicera tryck på några av dessa kolallotroper kan förändra bindningarna, vilket resulterar i olika former av kol med nya elektroniska och mekaniska egenskaper.

Istället för att experimentellt söka efter nya kolallotroper, forskarna här använde en nyligen utvecklad teknik som kallas Crystal Structure Analysis by Particle Swarm Optimization (CALYPSO). Denna datoriserade sökning utformades för att förutsäga stabila kristallstrukturer med användning av endast kemiska sammansättningar av en given förening vid specificerade yttre förhållanden, såsom tryck.

CALYPSO-simuleringarna gav först flera kolstrukturer som redan är experimentellt kända (som grafit och diamant) eller teoretiskt föreslagna (som kiral C ₆ ). Simuleringarna avslöjade sedan romanen Cco-C ₈ allotrop, en 3D-polymer som består av tunn (2, 2) kolnanorör sammankopplade genom 4- och 6-ledade kolringar, som uppstår på grund av bildandet av ytterligare bindningar mellan kolatomer.

Simuleringarna visade att Cco-C ₈ har en Vickers hårdhet på 95,1 GPa, vilket är något under diamantens 97,5 GPa. Även om det finns flera sätt att mäta hårdheten hos ett material, Vickers hårdhet är en av de vanligaste metoderna. I denna metod, ett vasst föremål komprimeras till ett material, och dimensionerna för den resulterande fördjupningen mäts.

"Hårdhet har använts som en av de makroskopiska mekaniska egenskaperna hos material i ungefär tre århundraden, ” förklarade Tian. "Vanligtvis, hårdhet kan definieras makroskopiskt som förmågan hos ett material att motstå att bli repad eller bucklig av ett annat. Nyligen, vi definierade hårdhet mikroskopiskt som den kombinerade motståndskraften hos kemiska bindningar i en kristall mot fördjupning." ²

Även om Cco-C ₈ har en Vickers hårdhet något under diamantens, forskarna förutspår att Cco-C ₈ bör vara tillräckligt hård för att repa och knäcka diamant. Som Tian förklarar, detta beror på att Cco-C ₈ 's tryckhållfasthet är högre än diamantens skjuvhållfasthet.

"Den mekaniska hållfastheten eller den ideala hållfastheten hos ett material beror på dragbelastningssätten, skjuvning och kompression, " sa han. "T.ex. både draghållfastheten och skjuvhållfastheten för diamant är cirka 90 GPa, medan dess tryckhållfasthet är upp till 223 GPa. Om den tvingas in i ytan av en enda diamantkristall, Cco-C ₈ eftersom en indenter huvudsakligen är i ett komprimerat tillstånd, de kemiska bindningarna av diamant under intryckaren motstår kompressionsdeformation, och bindningarna runt intryckaren motstår skjuvdeformation. Även om Cco-C ₈ har något lägre hårdhet än diamant, tryckhållfastheten hos Cco-C ₈ bör vara mycket högre än diamantens skjuvhållfasthet. När spänningen i skjuvdeformationszonen överstiger diamantens skjuvhållfasthet, en fördjupning bildas. Med andra ord, Cco-C ₈ kan knäcka diamant."

Cco-C ₈ kanske inte är alltför svårt att syntetisera i framtiden. Simuleringarna visade att Cco-C ₈ är mycket stabil; den nya kolallotropen är energimässigt mer gynnsam än nästan alla andra teoretiska kolstrukturer. Också, simuleringarna tyder på att Cco-C ₈ kan syntetiseras genom att direkt komprimera kolnanorörsbuntar på ett liknande sätt som syntetisering av 3D C ₆₀ polymerer.

Faktiskt, Cco-C ₈ kan redan ha syntetiserats omedvetet. Tidigare experiment på kall komprimering av kolnanorörsbuntar gav en ny fas av kol som ursprungligen identifierades som P-62c. Dock, Tian och hans medförfattare tror att strukturen var mer sannolikt Cco-C ₈ .

Dessutom, forskarna förväntar sig att andra nya kolmaterial med unika fysikaliska egenskaper kan bildas genom liknande kompressionstekniker genom att använda olika stora nanorör eller andra kolstrukturer. De planerar att söka efter dessa material i framtiden.

"Först, vi kommer att använda denna strategi för att designa fler nya kolallotroper, speciellt ledande superhårda kol med delvis sp ² -hybridiserade C-C-bindningar (i kristallstrukturen av Cco-C ₈ , varje kolatom är sp ³ -hybridiserad), sa Tian. "För det andra, vi kommer att försöka syntetisera dessa designade kolmaterial med hjälp av kolnanorörsbuntar vid högt tryck och hög temperatur."

Han tillade att Cco-C ₈ kan ha tillämpningar inom områden där diamant har använts som ett superhårt material. Och om CALYPSO-sökningen upptäcker ledande superhårda kolmaterial, de kan ha potentiella tillämpningar i elektroniska enheter.

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.