(Phys.org) -- Un team internazionale guidato da Artem R. Oganov, dottorato di ricerca, un professore di cristallografia teorica nel Dipartimento di Geoscienze della Stony Brook University, ha stabilito la struttura di una nuova forma di carbonio. I risultati del loro lavoro, “Comprendere la natura della grafite superdura, ” sono stati pubblicati il ​​26 giugno in Rapporti scientifici , una nuova rivista del Nature Publishing Group.

Il Dr. Oganov e il suo team hanno utilizzato un nuovo metodo computazionale per dimostrare che le proprietà di quella che in precedenza si pensava fosse solo un'ipotetica struttura di una forma superdura di carbonio chiamata "M-carbon" - costruita da Oganov nel 2006 - corrispondevano perfettamente alle dati sperimentali sulla "grafite superdura".

“La maggior parte delle forme conosciute di carbonio hanno una storia colorata della loro scoperta e una moltitudine di applicazioni rivoluzionarie reali o potenziali, ” ha detto Oganov. “Pensa al diamante, un materiale da record in più di un modo. Pensa al grafene, destinato a diventare il materiale dell'elettronica del futuro. o di fullereni, la cui scoperta ha dato il via al campo delle nanoscienze”.

La storia di un'altra forma di carbonio è iniziata nel 1963, quando Aust e Drickamer hanno compresso la grafite a temperatura ambiente. È noto che la compressione ad alta temperatura della grafite produce diamante, ma a temperatura ambiente si produceva una forma sconosciuta di carbonio. Questa nuova forma, come diamante, era trasparente e superduro, ma le sue altre proprietà erano incompatibili con il diamante o altre forme conosciute di carbonio.

"L'esperimento in sé è semplice e sorprendente:comprimi la grafite ultramorbida nera, e poi si trasforma improvvisamente in un incolore, trasparente, superdura e misteriosa nuova forma di carbonio – “grafite superdura, '", ha detto Oganov. “L'esperimento è stato ripetuto più volte da allora, e il risultato è stato lo stesso, ma non è stato prodotto alcun modello strutturale convincente, a causa della bassa risoluzione dei dati sperimentali.”

Usando la sua rivoluzionaria metodologia di previsione della struttura cristallina, Oganov nel 2006 ha costruito una nuova struttura superdura a bassa energia di "M-carbonio". come F-, O-, P-, R-, S-, T-, W-, X-, Y-, Z-carboni. "L'ironia era che la maggior parte di questi aveva anche proprietà compatibili con le osservazioni sperimentali sulla 'grafite superdura'. Per discriminare tra questi modelli, sono necessari dati sperimentali a risoluzione più elevata e ulteriori approfondimenti teorici, ” ha detto.

Secondo Oganov, il motivo per cui il diamante non si forma sulla compressione a freddo della grafite è che la ricostruzione necessaria per trasformare la grafite in diamante è troppo grande ed è associata a una barriera energetica troppo grande, che può essere superato solo ad alte temperature, quando gli atomi possono saltare lontano. A basse temperature, la grafite sceglie invece una trasformazione associata alla barriera di attivazione più bassa.

Si potrebbe stabilire la struttura della "grafite superdura" trovando quale struttura ha la più bassa barriera di formazione dalla grafite. Fare quello, Oganov, il suo socio postdottorato Salah Eddine Boulfelfel, e il loro collega tedesco, Professor Stefano Leoni, dell'Università della Tecnologia di Dresda, utilizzato un potente approccio di simulazione, recentemente adattato a materiali solidi, noto come campionamento del percorso di transizione. Queste simulazioni hanno richiesto alcuni dei supercomputer più potenti del mondo, e infine dimostrato che la "grafite superdura" è effettivamente identica al carbonio M, già predetto da Oganov.

“Questi calcoli sono tecnicamente estremamente impegnativi, e ci sono voluti molti mesi per eseguirli e analizzarli. Cercando la verità, devi essere preparato per qualsiasi risultato, ed eravamo pronti ad accettare se un'altra delle tante strutture proposte vincesse il concorso. Ma siamo stati fortunati, e la nostra proposta – M-carbon – ha vinto, ” ha detto Oganov.

Un altro risultato di questo studio è un insieme di meccanismi dettagliati di formazione di diversi potenziali allotropi del carbonio. Questi potrebbero essere usati per progettare modi della loro sintesi per potenziali applicazioni tecnologiche.

“Non sappiamo ancora quali applicazioni troverà M-carbon, ma la maggior parte delle forme di carbonio è riuscita a trovare applicazioni rivoluzionarie, e questo fantastico materiale potrebbe fare altrettanto, ” ha detto Oganov.