(Phys.org) -- Ett internationellt team ledd av Artem R. Oganov, PhD, en professor i teoretisk kristallografi vid institutionen för geovetenskap vid Stony Brook University, har etablerat strukturen för en ny form av kol. Resultaten av deras arbete, "Förstå naturen hos superhård grafit, ” publicerades 26 juni i Vetenskapliga rapporter , en ny tidskrift för Nature Publishing Group.

Dr. Oganov och hans team använde en ny beräkningsmetod för att visa att egenskaperna hos vad som tidigare hade ansetts vara endast en hypotetisk struktur av en superhård form av kol kallad "M-kol" – konstruerad av Oganov 2006 – matchade perfekt med experimentella data om "superhård grafit".

"De flesta av de kända formerna av kol har en färgstark historia om deras upptäckt och en mängd verkliga eller potentiella revolutionerande tillämpningar, " sa Oganov. "Tänk på diamant, ett rekordartat material på mer än ett sätt. Tänk på grafen, avsett att bli framtidens elektronikmaterial. Eller av fullerener, vars upptäckt har startat området för nanovetenskap."

Historien om ännu en form av kol började 1963, när Aust och Drickamer komprimerade grafit vid rumstemperatur. Högtemperaturkomprimering av grafit är känt för att producera diamant, men vid rumstemperatur producerades en okänd form av kol. Denna nya form, som diamant, var genomskinlig och superhård - men dess övriga egenskaper var oförenliga med diamant eller andra kända former av kol.

"Experimentet i sig är enkelt och slående:du komprimerar svart ultramjuk grafit, och så förvandlas det plötsligt till en färglös, transparent, superhård och mystisk ny form av kol – "superhård grafit, ’” sa Oganov. "Experimentet upprepades flera gånger sedan, och resultatet blev detsamma, men ingen övertygande strukturmodell producerades, på grund av den låga upplösningen av experimentella data."

Genom att använda sin banbrytande metodik för förutsägelse av kristallstruktur, Oganov 2006 konstruerade en ny superhård lågenergistruktur av "M-kol." Det arbetet resulterade i en ström av vetenskapliga artiklar som inom två år föreslog olika "alfabetiska" strukturer, som F-, O-, P-, R-, S-, T-, W-, X-, Y-, Z-kol. "Ironin var att de flesta av dessa också hade egenskaper som var kompatibla med experimentella observationer av "superhård grafit." För att skilja mellan dessa modeller, experimentell data med högre upplösning och ytterligare teoretisk insikt krävs, " sa han.

Enligt Oganov, anledningen till att diamant inte bildas vid kallkomprimering av grafit är att den rekonstruktion som behövs för att omvandla grafit till diamant är för stor och är förknippad med en för stor energibarriär, som endast kan övervinnas vid höga temperaturer, när atomer kan hoppa långt. Vid låga temperaturer, grafit väljer istället en transformation förknippad med den lägsta aktiveringsbarriären.

Man skulle kunna fastställa strukturen för "superhård grafit" genom att hitta vilken struktur som har den lägsta barriären för bildning från grafit. Att göra det, Oganov, hans postdoktorale Salah Eddine Boulfelfel, och deras tyska kollega, Professor Stefano Leoni, vid Dresdens tekniska universitet, använde en kraftfull simuleringsmetod, nyligen anpassad till fasta material, känd som transition path sampling. Dessa simuleringar krävde några av världens mest kraftfulla superdatorer, och slutligen bevisade att "superhård grafit" verkligen är identisk med M-kol, tidigare förutspått av Oganov.

"Dessa beräkningar är tekniskt extremt utmanande, och det tog oss många månader att utföra och analysera dem. På jakt efter sanningen, du måste vara beredd på alla resultat, och vi var redo att acceptera om en annan av de många föreslagna strukturerna vann tävlingen. Men vi hade tur, och vårt eget förslag – M-carbon – vann, " sa Oganov.

Ett annat resultat av denna studie är en uppsättning detaljerade mekanismer för bildning av flera potentiella kolallotroper. Dessa skulle kunna användas för att konstruera sätt för deras syntes för potentiella tekniska tillämpningar.

"Vi vet ännu inte vilka applikationer M-carbon kommer att hitta, men de flesta former av kol lyckades hitta revolutionerande tillämpningar, och detta fantastiska material kan också göra det, " sa Oganov.