(PhysOrg.com) -- Applicando una pressione estrema per comprimere e appiattire i nanotubi di carbonio, gli scienziati hanno scoperto che possono creare un nuovo polimero di carbonio che le simulazioni mostrano che è abbastanza duro da rompere il diamante. Il processo di formazione indotto dalla pressione del nuovo allotropo di carbonio, chiamato Cco-C ₈ , è simile alla polimerizzazione 3D del buckminsterfullerene simile a un pallone da calcio, C ₆₀ , ad alta pressione. Quando il fascio di nanotubi di carbonio viene sottoposto a ulteriore compressione, diventa ancora più distorto e appiattito per produrre il Cco-C ₈ struttura.

Gli scienziati, guidato dal professor Yongjun Tian del Laboratorio statale chiave di scienza e tecnologia dei materiali metastabili presso l'Università di Yanshan a Qinhuangdao, Cina, hanno pubblicato il loro studio sul nuovo carbonio superduro in un recente numero di Lettere di revisione fisica . ¹

“Il carbonio materiale stellare esiste in varie architetture grazie alla sua capacità di formare sp-, sp ² -, e sp ³ -legami ibridati, favorire la grafite, diamante, lonsdaleite, carabina, caotico, carbonio amorfo, nanotubi, fullereni, grafene, e così via, "Ha detto Tian PhysOrg.com . “Questi allotropi di carbonio possiedono proprietà eccezionali e senza pari, così come importanza scientifica e tecnologica unica, tale che la ricerca di nuovi allotropi di carbonio è stata a lungo un tema caldo nelle comunità di ricerca scientifica. Il più grande significato di questo lavoro risiede nella nuova strategia di compressione diretta dei fasci di nanotubi di carbonio per progettare e sintetizzare nuovi allotropi di carbonio metastabili. Questa strategia implica che si possano ottenere sperimentalmente anche alcune fasi metastabili di carbonio con maggiore energia”.

Come spiegano gli scienziati, l'applicazione di pressione ad alcuni di questi allotropi del carbonio può modificare i legami, risultando in diverse forme di carbonio con nuove proprietà elettroniche e meccaniche.

Invece di cercare sperimentalmente nuovi allotropi di carbonio, gli scienziati qui hanno utilizzato una tecnica sviluppata di recente chiamata analisi della struttura cristallina mediante ottimizzazione dello sciame di particelle (CALYPSO). Questa ricerca computerizzata è stata progettata per prevedere strutture cristalline stabili utilizzando solo le composizioni chimiche di un dato composto in condizioni esterne specificate, come la pressione.

Le simulazioni CALYPSO hanno prima prodotto diverse strutture di carbonio che sono già note sperimentalmente (come grafite e diamante) o proposte teoricamente (come C chirale ₆ ). Le simulazioni hanno poi rivelato il romanzo Cco-C ₈ allotropo, un polimero 3D composto da sottili (2, 2) nanotubi di carbonio interconnessi tramite anelli di carbonio a 4 e 6 membri, che sorge a causa della formazione di ulteriori legami tra gli atomi di carbonio.

Le simulazioni hanno mostrato che Cco-C ₈ ha una durezza Vickers di 95,1 GPa, che è leggermente al di sotto del 97,5 GPa del diamante. Sebbene ci siano diversi modi per misurare la durezza di un materiale, La durezza Vickers è uno dei metodi più comuni. In questo metodo, un oggetto appuntito viene compresso in un materiale, e vengono misurate le dimensioni della rientranza risultante.

“La durezza è stata usata come una delle proprietà meccaniche macroscopiche dei materiali per circa tre secoli, "Tian ha spiegato. “Di solito, la durezza può essere definita macroscopicamente come la capacità di un materiale di resistere ad essere graffiato o ammaccato da un altro. Recentemente, abbiamo definito la durezza microscopicamente come la resistenza combinata dei legami chimici in un cristallo alla rientranza. ²

Sebbene Cco-C ₈ ha una durezza Vickers leggermente inferiore a quella del diamante, gli scienziati prevedono che Cco-C ₈ dovrebbe essere abbastanza duro da graffiare e rompere il diamante. Come spiega Tian, questo perché Cco-C ₈ la resistenza alla compressione è superiore alla resistenza al taglio del diamante.

“La resistenza meccanica o resistenza ideale di un materiale dipende dalle modalità di carico di trazione, taglio e compressione, ” ha detto. “Ad esempio, sia la resistenza alla trazione che la resistenza al taglio del diamante sono di circa 90 GPa, mentre la sua resistenza alla compressione arriva fino a 223 GPa. Se forzato sulla superficie di un singolo cristallo di diamante, Cco-C ₈ poiché un penetratore è principalmente in uno stato compresso, i legami chimici del diamante sotto il penetratore resistono alla deformazione per compressione, e i legami attorno al penetratore resistono alla deformazione da taglio. Sebbene Cco-C ₈ ha una durezza leggermente inferiore al diamante, la resistenza alla compressione di Cco-C ₈ dovrebbe essere molto superiore alla resistenza al taglio del diamante. Quando lo stress nella zona di deformazione a taglio supera la resistenza al taglio del diamante, si forma una rientranza. In altre parole, Cco-C ₈ è in grado di rompere il diamante”.

Cco-C ₈ potrebbe non essere troppo difficile da sintetizzare in futuro. Le simulazioni hanno mostrato che Cco-C ₈ è altamente stabile; il nuovo allotropo del carbonio è energeticamente più favorevole di quasi tutte le altre strutture teoriche del carbonio. Anche, le simulazioni suggeriscono che Cco-C ₈ può essere sintetizzato comprimendo direttamente fasci di nanotubi di carbonio in modo simile alla sintesi di C . 3D ₆₀ polimeri.

Infatti, Cco-C ₈ potrebbe essere già stato sintetizzato inconsapevolmente. Precedenti esperimenti sulla compressione a freddo di fasci di nanotubi di carbonio hanno prodotto una nuova fase di carbonio che era stata originariamente identificata come P-62c. Però, Tian e i suoi coautori pensano che la struttura fosse più probabile Cco-C ₈ .

Inoltre, i ricercatori si aspettano che altri nuovi materiali di carbonio con proprietà fisiche uniche possano essere formati mediante tecniche di compressione simili utilizzando nanotubi di dimensioni diverse o altre strutture di carbonio. Hanno in programma di cercare questi materiali in futuro.

“Prima, useremo questa strategia per progettare più nuovi allotropi di carbonio, specialmente conduttori di carbonio superduri con parzialmente sp ² -legami C-C ibridati (nella struttura cristallina di Cco-C ₈ , ogni atomo di carbonio è sp ³ -ibridato), "Ha detto Tian. “Secondo, proveremo a sintetizzare questi materiali di carbonio progettati utilizzando fasci di nanotubi di carbonio ad alta pressione e alta temperatura.

Ha aggiunto che Cco-C ₈ potrebbe avere applicazioni in campi in cui il diamante è stato utilizzato come materiale superduro. E se la ricerca CALYPSO scopre materiali conduttori di carbonio superduro, potrebbero avere potenziali applicazioni nei dispositivi elettronici.

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