Identificata la struttura di una nuova forma di carbonio superduro

Viste lungo [100]/[001], e [010] direzioni della supercella 2x2x2 di bct-Carbon, il tratteggio punteggiato in (b) indica la struttura perpendicolare simile al grafene di bct-Carbon. Credito immagine:Xiang-Feng Zhou, http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/1003/1003.1569v4.pdf

(PhysOrg.com) -- Un esperimento nel 2003 ha formato quella che si credeva fosse una nuova forma di carbonio, ma i risultati sono stati controversi. Ora due team di scienziati hanno utilizzato mezzi diversi per identificare una struttura di rete tridimensionale chiamata "bct-carbon, " che secondo loro potrebbe essere la struttura formata nel 2003.

Il carbonio puro esiste in una varietà di strutture, compresi grafite e diamante. La nuova struttura, carbonio tetragonale a corpo centrato o carbonio bct, è inaspettatamente semplice e consiste di fogli di quadrati di quattro atomi di carbonio ciascuno, uniti da legami “corti” perpendicolari ai fogli. Questa forma di carbonio si crea quando la grafite è esposta ad alta pressione a temperature normali.

È noto da quasi 50 anni che la grafite sottoposta a compressione a freddo (alta pressione a temperatura ambiente) subisce una trasformazione reversibile, e nel 2003 i ricercatori della Stanford University hanno compresso la grafite in una pressa a incudine diamantata, ottenendo contemporaneamente il modello di diffrazione dei raggi X per aiutarli a studiare i legami all'interno della struttura. Hanno scoperto che quando la pressione superava i 17 gigapascal (GPa) (170, 000 atmosfere) gli atomi di carbonio nella grafite normalmente morbida formavano un materiale abbastanza duro da rompere il diamante, ma la sua struttura è rimasta poco chiara.

Ora un team di scienziati guidato da Hui-Tian Wang dell'Università Nankai di Tianjin, Cina, hanno dimostrato attraverso simulazioni al computer che il carbonio superduro può essere almeno in parte composto da carbonio bct, poiché questo richiede la minima energia per formarsi. Bct-carbon ha una struttura a metà strada tra cubi di atomi di carbonio di diamante e fogli di atomi di carbonio collegati di grafite in un reticolo esagonale. Il carbonio Bct è costituito da fogli di anelli di carbonio a quattro atomi collegati tra loro da forti legami.

Il team ha studiato 15 possibili strutture e ha scoperto che il carbonio bct trasparente non solo richiedeva energie inferiori per formarsi, ma che la sua resistenza al taglio è del 17% maggiore di quella del diamante. Se i risultati sono confermati, ciò significa che potrebbe essere possibile produrre un materiale più resistente del diamante a temperature normali.

Un altro gruppo di scienziati, tra cui Renata Wentzcovitch dell'Università del Minnesota e Takashi Miyake del National Institute of Advanced Industrial Science and Technology in Giappone, giunto a conclusioni simili all'inizio di quest'anno, ma con un metodo diverso. Questo gruppo ha analizzato la struttura del carbonio bct proposta utilizzando simulazioni di meccanica quantistica. Hanno scoperto che il carbonio bct era più stabile della grafite a 18,6 GPa, e che se mescolato con M-carbonio produrrebbe un modello di diffrazione dei raggi X molto simile a quello trovato nel 2003. (M-carbon è una struttura costituita da strati di carbonio in anelli di cinque e sette membri.)

Il documento del team di Hui-Tian Wang è stato pubblicato sulla rivista Revisione fisica B , mentre la ricerca USA/Giappone è stata riportata in Lettere di revisione fisica nel marzo di quest'anno.