När kolatomer staplas i en perfekt repeterande tredimensionell kristall, kan de bilda dyrbara diamanter. Ordnat på ett annat sätt, i repetitiva platta ark, gör kol den glänsande grå grafiten som finns i pennor. Men det finns andra former av kol som är mindre välkända. Amorft kol - vanligtvis ett sotigt svart material - har ingen repetitiv molekylstruktur, vilket gör det utmanande att studera.

Nu har forskare vid University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering (PME) använt ett nytt ramverk för att förstå de elektroniska egenskaperna hos amorft kol. Deras resultat låter forskare bättre förutsäga hur materialet leder elektricitet och absorberar ljus, och de publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Vi måste förstå hur oordnat kol fungerar på molekylär nivå för att kunna konstruera detta material för tillämpningar som solenergiomvandling", säger Giulia Galli, Liew Family Professor i molekylär teknik och professor i kemi vid University of Chicago. Galli har också en anställning som senior forskare vid Argonne National Laboratory, där hon är chef för MICCoM-centret.

I decennier har forskare modellerat hur atomerna rör sig i amorft kol med hjälp av den klassiska mekanikens lagar – den uppsättning ekvationer som beskriver till exempel hur en bil accelererar eller hur en boll faller genom luften. För vissa tunga atomer i det periodiska systemet är dessa klassiska ekvationer en bra approximation för att exakt fånga många av materialens egenskaper. Men för många former av kol, och i synnerhet amorfa kol, har teamet under ledning av Galli funnit att användningen av dessa klassiska ekvationer för att beskriva atomernas rörelser misslyckas.

"Amorft kol har många egenskaper som gör det värdefullt för ett antal tillämpningar, men det är utmanande att modellera och simulera dess egenskaper på den grundläggande nivån", säger doktorandforskaren Arpan Kundu, Ph.D., uppsatsens första författare.

Galli har ägnat de senaste trettio åren åt att utveckla och tillämpa kvantmekaniska metoder för att modellera och simulera egenskaperna hos molekyler och fasta ämnen. Hon undersökte ursprungligen amorft kol i början av sin karriär, och hon har nyligen återvänt till utmaningen med ny insikt.

Galli, Kundu och fysikforskaren Yunxiang (Tony) Song genomförde nya simuleringar av de elektroniska egenskaperna hos amorft kol, denna gång genom att integrera kvantprinciper för att beskriva rörelserna hos både elektronerna och kärnorna i kolatomer. De fann att användning av kvantmekanik för båda – snarare än klassisk mekanik för kärnorna – är avgörande för att exakt förutsäga egenskaperna hos amorft kol.

Till exempel, med hjälp av sina raffinerade, kvantmekaniska modeller, förutspådde PME-teamet en högre elektrisk ledningsförmåga än vad som annars hade förväntats.

Fynden som rapporteras i PNAS artikeln är användbara inte bara för att förstå amorft kol, utan också andra liknande amorfa fasta ämnen, sa forskarna. Men de påpekade också att mycket mer arbete återstår att göra – oordnade kolmaterial kan uppvisa radikalt olika egenskaper beroende på deras densitet, vilket i sin tur beror på metoden som används för att framställa materialet.

"När något är ordnat i en kristall vet du exakt vad dess struktur är, men när det väl är oordnat kan det störas på många möjliga sätt", sa Kundu.

Teamet planerar att fortsätta studera amorft kol och dess potentiella tillämpningar. + Utforska vidare

Ursprunget för bosontoppen i amorfa fasta ämnen