All'inizio di quest'anno, il diamante amorfo è stato sintetizzato per la prima volta utilizzando una tecnica che prevede alte pressioni, temperature moderatamente elevate e una piccola quantità di carbonio vetroso come materiale di partenza. Un team padre-figlio della Clemson University ha ora calcolato con successo una serie di proprietà fisiche di base per questa nuova sostanza, comprese le costanti elastiche e le relative grandezze. I risultati sono riportati questa settimana in Lettere di fisica applicata .
Il diamante è una forma di carbonio puro in cui gli atomi sono disposti in un reticolo cristallino, con ogni atomo di carbonio circondato da altri quattro atomi di carbonio agli angoli di un tetraedro. I legami carbonio-carbonio nel diamante sono noti come legami sp3. La disposizione ordinata delle strutture tetraedriche che si ripete su lunghe distanze in un cristallo di diamante produce un materiale duro con stabilità alle alte temperature. Il diamante è quindi sia una pietra preziosa preziosa che un materiale con una varietà di usi tecnologici.
carbonio amorfo, d'altra parte, ha frazioni variabili di carbonio legato sp3 in un disordinato, o amorfo, matrice. La struttura amorfa produce proprietà meccaniche molto desiderabili. La quantità di legame sp3 nel carbonio amorfo non è così alta come nel diamante puro. Una frazione dei legami carbonio-carbonio è di tipo sp2, trovato in altre forme di carbonio come la grafite.
Il silicio amorfo e il germanio legati da Sp3 sono noti da molti anni e sono ampiamente utilizzati nel fotovoltaico, sensori e transistor a film sottile, e altre applicazioni high-tech. È di grande interesse, poi, trovare modi per creare un diamante amorfo che mantenga un'elevata frazione di legami sp3. Mentre il lavoro riportato all'inizio di quest'anno ha fatto proprio questo, i campioni non sono ancora ampiamente disponibili per il test. I test preliminari hanno mostrato che questi diamanti amorfi sono piuttosto densi, otticamente trasparente e resistente.
Il team padre-figlio di Arthur e John Ballato è entrato in questa lacuna di conoscenza per calcolare alcune proprietà fisiche non ancora misurate per questa nuova forma di diamante. "Abbiamo impiegato un approccio di modellazione mediante il quale è possibile utilizzare le proprietà del diamante cristallino per dedurre le proprietà dell'analogo del diamante vetroso, — disse Ballato. — In quest'opera, abbiamo dedotto le proprietà elastiche di questa nuova fase del diamante dalle proprietà misurate del diamante cristallino".
La procedura che hanno impiegato prevede un modello computerizzato di un cristallo che viene omogeneizzato computazionalmente per creare una versione amorfa della sostanza. Il modello del cristallo utilizza semplici, fisica classica e descrive i legami carbonio-carbonio come molle. Il metodo di omogeneizzazione impiegato è noto come tecnica Voigt-Reuss-Hill (VRH).
Utilizzando questo approccio, i Ballato calcolarono una serie di importanti proprietà di massa, compreso il modulo di Young, Rapporto di Poisson e altre costanti elastiche della sostanza. Hanno utilizzato l'approccio di omogeneizzazione VRH in lavori precedenti per studiare lo zaffiro vetroso e i materiali di interesse per l'uso in laser ad alta potenza. Il metodo VRH è più semplice e diretto dei sofisticati metodi di meccanica quantistica che sono anche disponibili, ma le proprietà calcolate in questo lavoro possono servire come base di riferimento, sia per i più sofisticati, ma modellistica costosa, nonché per future misurazioni sperimentali.
