I materiali superduri possono affettare, forare e lucidare altri oggetti. Hanno anche il potenziale per creare rivestimenti antigraffio che potrebbero aiutare a proteggere da danni le apparecchiature costose.

Ora, la scienza sta aprendo la porta allo sviluppo di nuovi materiali con queste qualità seducenti.

I ricercatori hanno utilizzato tecniche computazionali per identificare 43 forme di carbonio precedentemente sconosciute che si ritiene siano stabili e superduri, incluse molte che si prevede siano leggermente più dure o quasi come i diamanti. Ogni nuova varietà di carbonio è costituita da atomi di carbonio disposti secondo uno schema distinto in un reticolo cristallino.

Lo studio, pubblicato il 3 settembre sulla rivista npj Materiali di calcolo —combina le previsioni computazionali delle strutture cristalline con l'apprendimento automatico per cercare nuovi materiali. Il lavoro è ricerca teorica, il che significa che gli scienziati hanno previsto le nuove strutture di carbonio ma non le hanno ancora create.

"I diamanti sono in questo momento il materiale più duro disponibile in commercio, ma sono molto costosi, " dice la chimica dell'Università di Buffalo Eva Zurek. "Ho colleghi che fanno esperimenti ad alta pressione in laboratorio, spremere materiali tra i diamanti, e si lamentano di quanto sia costoso quando i diamanti si rompono.

"Vorremmo trovare qualcosa di più duro di un diamante. Se potessi trovare altri materiali duri, potenzialmente potresti renderli più economici. Potrebbero anche avere proprietà utili che i diamanti non hanno. Forse interagiranno in modo diverso con il calore o l'elettricità, Per esempio."

Zurek, dottorato di ricerca, un professore di chimica all'UB College of Arts and Sciences, ideato lo studio e co-condotto il progetto con Stefano Curtarolo, dottorato di ricerca, professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Duke University.

La ricerca di materiali duri

La durezza si riferisce alla capacità di un materiale di resistere alla deformazione. Come spiega Zurek, significa che "se provi a far rientrare un materiale con una punta affilata, non si farà un buco, o il buco sarà molto piccolo."

Gli scienziati considerano una sostanza superdura se ha un valore di durezza di oltre 40 gigapascal misurato attraverso un esperimento chiamato test di durezza Vickers.

Si prevede che tutte le 43 nuove strutture in carbonio dello studio soddisfino tale soglia. Si stima che tre superino la durezza Vickers dei diamanti, ma solo di poco. Zurek avverte anche che c'è qualche incertezza nei calcoli.

Le strutture più dure che gli scienziati hanno trovato tendevano a contenere frammenti di diamante e lonsdaleite, chiamato anche diamante esagonale, nei loro reticoli cristallini. Oltre alle 43 nuove forme di carbonio, la ricerca prevede anche di recente che un certo numero di strutture in carbonio che altri team hanno descritto in passato saranno superduri.

Accelerare la scoperta di materiali superduri

Le tecniche utilizzate nella nuova carta potrebbero essere applicate per identificare altri materiali superduri, compresi quelli che contengono elementi diversi dal carbonio.

"Si conoscono pochissimi materiali superduri, quindi è interessante trovarne di nuovi, " dice Zurek. "Una cosa che sappiamo sui materiali superduri è che devono avere legami forti. I legami carbonio-carbonio sono molto forti, ecco perché abbiamo considerato il carbonio. Altri elementi che sono tipicamente in materiali superduri provengono dallo stesso lato della tavola periodica, come il boro e l'azoto."

Per condurre lo studio, i ricercatori hanno utilizzato XtalOpt, un algoritmo evolutivo open source per la previsione della struttura cristallina sviluppato nel laboratorio di Zurek, generare strutture cristalline casuali per il carbonio. Quindi, il team ha utilizzato un modello di apprendimento automatico per prevedere la durezza di queste specie di carbonio. Le strutture rigide e stabili più promettenti sono state utilizzate da XtalOpt come "genitori" per generare ulteriori nuove strutture, e così via.

Il modello di apprendimento automatico per la stima della durezza è stato addestrato utilizzando il database Automatic FLOW (AFLOW), una vasta libreria di materiali con proprietà che sono state calcolate. Il laboratorio di Curtarolo mantiene AFLOW e in precedenza ha sviluppato il modello di apprendimento automatico con il gruppo di Olexandr Isayev presso l'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill.

"Questo è uno sviluppo materiale accelerato. Ci vorrà sempre tempo, ma utilizziamo AFLOW e l'apprendimento automatico per accelerare notevolmente il processo, " Dice Curtarolo. "Gli algoritmi imparano, e se hai addestrato bene il modello, l'algoritmo predirrà le proprietà di un materiale, in questo caso, durezza, con ragionevole accuratezza."

"Puoi prendere i migliori materiali previsti usando tecniche computazionali e realizzarli sperimentalmente, ", afferma il coautore dello studio Cormac Toher, dottorato di ricerca, assistente professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Duke University.