I ricercatori dell'Università di Tsukuba hanno utilizzato calcoli al computer per progettare un nuovo materiale a base di carbonio ancora più duro del diamante. Questa struttura, soprannominato "pentadiamante" dai suoi creatori, può essere utile per sostituire gli attuali diamanti sintetici in difficili attività di produzione di taglio.

diamanti, che sono costituiti interamente da atomi di carbonio disposti in un reticolo denso, sono famosi per la loro durezza senza pari tra i materiali conosciuti. Però, il carbonio può formare molte altre configurazioni stabili, chiamati allotropi. Questi includono la familiare grafite in mina, così come i nanomateriali come i nanotubi di carbonio. Le proprietà meccaniche, compresa la durezza, di un allotropo dipendono principalmente dal modo in cui i suoi atomi si legano tra loro. Nei diamanti convenzionali, ogni atomo di carbonio forma un legame covalente con quattro vicini. I chimici chiamano gli atomi di carbonio in questo modo come aventi ibridazione sp3. Nei nanotubi e in alcuni altri materiali, ogni carbonio forma tre legami, chiamata ibridazione sp2.

Ora, i ricercatori dell'Università di Tsukuba hanno esplorato cosa accadrebbe se gli atomi di carbonio fossero disposti in una struttura più complessa con una miscela di ibridazione sp3 e sp2.

"Gli allotropi di carbonio con atomi ibridati sia sp2 che sp3 hanno una maggiore diversità morfologica a causa dell'enorme numero di combinazioni e disposizioni nelle reti, " dice il primo autore Yasumaru Fujii.

Per calcolare la configurazione atomica più stabile, oltre a stimarne la durezza, il team si è basato su un metodo computazionale chiamato teoria del funzionale della densità (DFT). La DFT è stata utilizzata con successo in chimica e fisica dello stato solido per prevedere la struttura e le proprietà dei materiali. Tenendo traccia degli stati quantistici di tutti gli elettroni in un campione, e soprattutto le loro interazioni, è di solito un compito intrattabile. Anziché, DFT utilizza un'approssimazione che si concentra sulla densità finale degli elettroni nello spazio che orbita intorno agli atomi.

Questo semplifica il calcolo per renderlo adatto ai computer, pur fornendo risultati molto precisi. Gli scienziati hanno scoperto che il modulo di Young, una misura di durezza, di pentadiamante era previsto essere quasi 1700 GPa, rispetto a circa 1200 GPa per il diamante convenzionale.

"Non solo il pentadiamante è più duro del diamante convenzionale, la sua densità è molto più bassa, uguale a quello della grafite, " spiega la coautrice, la professoressa Mina Maruyama.

"Questo lavoro mostra la potenza della progettazione ab initio dei materiali. Oltre agli usi industriali di taglio e perforazione, i pentadiamanti potrebbero essere usati al posto delle cellule a incudine di diamante attualmente utilizzate nella ricerca scientifica per ricreare l'estrema pressione all'interno dei pianeti, ", ha affermato il co-autore senior, il professor Susumu Okada.