Una classe a lungo ricercata di materiali a base di carbonio "superdiamante" con proprietà meccaniche ed elettroniche sintonizzabili è stata prevista e sintetizzata da Li Zhu e Timothy Strobel di Carnegie. Il loro lavoro è pubblicato da Progressi scientifici .

Il carbonio è il quarto elemento più abbondante nell'universo ed è fondamentale per la vita come la conosciamo. Non ha rivali nella sua capacità di formare strutture stabili, sia da solo che con altri elementi.

Le proprietà di un materiale sono determinate da come i suoi atomi sono legati e dalle disposizioni strutturali che questi legami creano. Per i materiali a base di carbonio, il tipo di incollaggio fa la differenza tra la durezza del diamante, che ha legami "sp3" tridimensionali, e la morbidezza della grafite, che ha legami "sp2" bidimensionali, Per esempio.

Nonostante l'enorme diversità di composti del carbonio, solo una manciata di tridimensionalità, sono noti materiali a base di carbonio legati da sp3, compreso il diamante. La struttura di legame tridimensionale rende questi materiali molto attraenti per molte applicazioni pratiche grazie a una gamma di proprietà tra cui resistenza, durezza, e conducibilità termica.

"A parte il diamante e alcuni dei suoi analoghi che incorporano elementi aggiuntivi, quasi nessun altro materiale in carbonio sp3 esteso è stato creato, nonostante numerose previsioni di strutture potenzialmente sintetizzabili con questo tipo di legame, " ha spiegato Strobel. "Seguendo un principio chimico che indica che l'aggiunta di boro nella struttura ne migliorerà la stabilità, abbiamo esaminato un'altra classe di materiali di carbonio legati in 3-D chiamati clatrati, che hanno una struttura reticolare di gabbie che intrappolano altri tipi di atomi o molecole."

I clatrati composti da altri elementi e molecole sono comuni e sono stati sintetizzati o trovati in natura. Però, i clatrati a base di carbonio non sono stati finora sintetizzati, nonostante le previsioni di lunga data sulla loro esistenza. I ricercatori hanno tentato di crearli per più di 50 anni.

Strobel, Zhu, e la loro squadra:Gustav M. Borstad di Carnegie, Hanyu Liu, Piotr A. Gucka, Michele Guerette, Juli-Anna Dolyniuk, Yue Meng, e Ronald Cohen, così come Eran Greenberg e Vitali Prakapenka dell'Università di Chicago e Brian L. Chaloux e Albert Epshteyn dell'U.S. Naval Research Laboratory, hanno affrontato il problema attraverso un approccio combinato computazionale e sperimentale.

"Abbiamo utilizzato strumenti avanzati di ricerca della struttura per prevedere il primo clatrato a base di carbonio termodinamicamente stabile e quindi sintetizzato la struttura del clatrato, che è composto da gabbie di carbonio-boro che intrappolano gli atomi di stronzio, in condizioni di alta pressione e alta temperatura, " Disse Zhu.

Il risultato è un 3-D, struttura a base di carbonio con legame simile al diamante che è recuperabile alle condizioni ambientali. Ma a differenza del diamante, gli atomi di stronzio intrappolati nelle gabbie rendono il materiale metallico, nel senso che conduce elettricità, con potenziale di superconduttività a temperature notevolmente elevate.

Cosa c'è di più, le proprietà del clatrato possono cambiare a seconda dei tipi di atomi ospiti all'interno delle gabbie.

"Gli atomi ospiti intrappolati interagiscono fortemente con le gabbie degli ospiti, " osservò Strobel. "A seconda degli specifici atomi ospiti presenti, il clatrato può essere sintonizzato da un semiconduttore a un superconduttore, il tutto mantenendo robusti, legami simili al diamante. Dato il gran numero di sostituzioni possibili, immaginiamo una classe completamente nuova di materiali a base di carbonio con proprietà altamente modulabili".

"Per chiunque sia interessato o i cui figli siano interessati ai Pokémon, questa struttura clatrata a base di carbonio è come l'Eevee dei materiali, " ha scherzato Zhu. "A seconda di quale elemento cattura, ha abilità diverse".