(Phys.org)-Forskare har föreslagit en ny familj av strukturer som är tredimensionella (3D) variationer av grafen, det enklaste exemplet på vilket kallas en "hyper-honeycomb". Om de föreslagna strukturerna kan realiseras experimentellt, de nya sätten att ordna kolatomer skulle bidra till det ständigt växande antalet nya kolallotroper. Forskarna förutspår också att bland dess intressanta egenskaper, hyperhoneycomb kan potentiellt vara ännu mer stabil än diamant.

Forskarna, Kieran Mullen, Bruno Uchoa, och Daniel T. Glatzhofer vid University of Oklahoma, har publicerat ett papper om den föreslagna hyperhoneycomb och relaterade strukturer i ett nyligen utgåva av Fysiska granskningsbrev .

Grafen beskrivs ofta som att ha en bikake- eller kycklingtrådsstruktur eftersom det består av kolatomer ordnade i ett tjockt hexagonalt gitter i ett lager. I denna 2D -struktur, varje kolatom är kopplad till tre andra kolatomer. Den resulterande "plana trigonala anslutningen" bidrar till grafens unika egenskaper, i synnerhet dess elektriska egenskaper som gör den till en utmärkt halvledare.

Som forskarna förklarar, den trigonala anslutningen av grafen producerar något ovanligt:​​det får en elektrons energi att variera linjärt med momentum, vilket gör att elektronerna efterliknar beteendet hos elektroner som rör sig nära ljusets hastighet. Momentvärdena vid vilka detta beteende sker kallas "Dirac -punkter" efter Dirac -ekvationen som beskriver relativistiska elektroner. De flesta materialstrukturer, kol eller annat, innehåller inte Dirac -poäng. Detta linjära beteende påverkar starkt hur elektronerna beter sig, påverkar deras spridning och deras interaktioner med vibrationer i gallret.

Här, forskarna undersökte vad som händer när Dirac-punkterna i en kolbaserad plan trigonal struktur förlängs till tredimensionellt utrymme för att bilda Dirac-öglor. Dirac-slingor förstås inte lika bra som Dirac-poäng eftersom, till skillnad från Dirac-punkter som delar likheter med relativistiska elektroner, Dirac -slingor har inte en relativistisk analog. Hittills, Dirac-slingor har aldrig observerats experimentellt, och har bara förutspåtts existera i ett fåtal finstämda material.

Forskarnas analys avslöjade att Dirac -slingor teoretiskt kan bildas när kedjor av trigonalt anslutna kolatomer staplas vinkelrätt mot varandra. Detta arrangemang skiljer sig från grafit, som också är en 3D-form av grafen, men i grafit staplas grafenlagren ovanpå varandra som en pappersbunt.

De föreslagna vinkelrätt staplade kedjorna kan ha många olika dimensioner på grund av de olika möjliga kombinationerna av vertikala och horisontella bikakehexagoner i enhetscellen i varje kedja. Till exempel, det enklaste exemplet, hyperhonningskaka, består av bara två kolatomer i varje vertikal och horisontell kedja. Med sina vertikala och horisontella lager, hyperhonningskakergitteret liknar något hyllor i en liten dubbelsidig bokhylla.

"Betydningen av vårt arbete är tvåfaldig, " berättade Mullen Phys.org . "Först, Detta är det första enkla systemet som visar Dirac -slingor. Dirac-slingor är ett beteende som ännu inte setts i elektroniska system. Förekomsten av en sådan slinga skulle ha starka effekter på hur elektroner strömmar genom systemet och på hur de beter sig i närvaro av ett magnetfält.

"Andra, systemet leder till en mängd relaterade system som alla skulle ha liknande, ovanligt beteende. Vissa är andra kolstrukturer, andra är olika fysiska system (t.ex. ett optiskt gitter av kalla gasatomer) som är anslutna på ett liknande sätt. Vi kan hitta ytterligare ovanligt beteende när vi utforskar systemens "zoo".

Som forskarna förklarade, 3D-strukturen kan också göra hyper-bikakeallotroperna extremt stabila – till och med mer än diamant eller grafit.

"Stabilitet kan vara knepigt, "Sa Mullen, hänvisar till hur stabilitet definieras. "Diamant är starkare än grafit, men 'mindre stabil' genom att det inte är kolformen med den lägsta energin. Det är 'metastabilt' i och med att du skulle behöva vänta otroligt länge innan det spontant skulle förändras!

"Vi vet att H0-strukturen [hyper-honeycomb] är metastabil – varje liten deformation av strukturen höjer energin. Vi vet att det skulle vara svårt för systemet att hitta ett sätt att omordna sig till något annat gitter. försöker beräkna 'hårdhet' och 'styrka'. Grafen är starkt (det är svårt att riva) genom att inte hårt (det går att sträcka ut). Vi kommer att veta mer om materialegenskaperna i sommar."

Forskarna förväntar sig att syntetisering av denna nya familj av kolallotroper kommer att vara utmanande men möjligt med nuvarande teknologi. Syntes kan kräva dopning av kolkedjor genom att ersätta andra atomer, som tallium, för några av kolatomerna för att underlätta odlingen av de föreslagna strukturerna. Vidare, även om dessa strukturer inte kan realiseras i kol, de kan skapas i optiska gitter av kalla gasatomer, eller kanske i andra nanostrukturer som producerar liknande slingor.

"Först, vi kommer att utforska 'zoo' för dessa galler, ", sa Mullen. "Detta innebär att beräkna deras värmeledningsförmåga, styvhet, sträckgräns, och magnetokonduktivitet. Andra, vi kommer att gå utöver denna enkla enelektronbild av dessa system. Tredje, vi kommer att arbeta med medarbetare som vill syntetisera dessa material."

© 2015 Phys.org