Strutture simulate che mostrano il materiale di partenza (a sinistra) dei "buckyballs" di carbonio-60 (magenta) e il solvente m-xilene (blu) e la sua forma superdura (a destra) dopo essere stati compressi di oltre 400, 000 atmosfere di pressione all'interno di una cella ad incudine diamantata. Sebbene i buckyball schiacciati siano amorfi, il solvente ha preservato l'ordine cristallino a lungo raggio del materiale. Immagine di Lin Wang, Carnegie Institution di Washington
(Phys.org) -- Un team di scienziati guidati da Lin Wang di Carnegie ha osservato una nuova forma di ammassi di carbonio molto duri, che sono insoliti nel loro mix di struttura cristallina e disordinata. Il materiale è in grado di incidere il diamante. Questa scoperta ha potenziali applicazioni per una gamma di applicazioni meccaniche, elettronico, e usi elettrochimici. L'opera è pubblicata in Scienza il 17 agosto.
Il carbonio è il quarto elemento più abbondante nell'universo e assume un'ampia varietà di forme:il grafene a nido d'ape, la matita "piombo" di grafite, diamante, nanotubi a struttura cilindrica, e sfere cave chiamate fullereni.
Alcune forme di carbonio sono cristalline, il che significa che la struttura è organizzata in unità atomiche ripetute. Altre forme sono amorfe, il che significa che la struttura manca dell'ordine a lungo raggio dei cristalli. Non erano stati precedentemente osservati prodotti ibridi che combinano elementi sia cristallini che amorfi, sebbene gli scienziati credessero che potessero essere creati.
La squadra di Wang, tra cui Wenge Yang di Carnegie, Zhenxian Liu, Stanislav Sinogeikin, e Yue Meng—iniziato con una sostanza chiamata gabbie di carbonio-60, fatto di sfere di carbonio altamente organizzate costruite con anelli pentagonali ed esagonali legati insieme per formare un cerchio, forma cava. Un solvente organico di xilene è stato inserito negli spazi tra le sfere e ha formato una nuova struttura. Hanno quindi applicato pressione a questa combinazione di gabbie di carbonio e solvente, per vedere come è cambiato sotto diversi stress.
Una microfotografia ottica di una superficie di un'incudine diamantata mostra due ammaccature "ring crack" (frecce magenta) dopo che è stata utilizzata per comprimere un materiale buckeyball/xilene con quasi 330, 000 atmosfere di pressione. Le crepe indicano che il materiale frantumato è "superduro"., questo è, quasi duro come il diamante, il materiale sfuso più duro al mondo. Immagine di Lin Wang, Carnegie Institution di Washington
A pressione relativamente bassa, la struttura della gabbia del carbonio-60 è rimasta. Ma con l'aumentare della pressione, le strutture della gabbia iniziarono a collassare in ammassi di carbonio più amorfi. Però, gli ammassi amorfi occupano ancora i loro siti originari, formando una struttura reticolare.
Il team ha scoperto che esiste una finestra ristretta di pressione, circa 320, 000 volte la normale atmosfera, sotto il quale viene creato questo nuovo carbonio strutturato e non rimbalza sulla struttura della gabbia quando viene rimossa la pressione. Questo è fondamentale per trovare applicazioni pratiche per il nuovo materiale in futuro.
Questo materiale era in grado di intaccare l'incudine diamantata utilizzata per creare le condizioni di alta pressione. Ciò significa che il materiale è superduro.
Se il solvente utilizzato per preparare la nuova forma di carbonio viene rimosso mediante trattamento termico, il materiale perde la sua periodicità reticolare, indicando che il solvente è cruciale per mantenere la transizione chimica che sta alla base della nuova struttura. Poiché ci sono molti solventi simili, è teoricamente possibile che una serie di simili, ma leggermente diverso, reticoli di carbonio potrebbero essere creati utilizzando questo metodo di pressione.
"Abbiamo creato un nuovo tipo di materiale in carbonio, uno che è paragonabile al diamante nella sua incapacità di essere compresso, " Wang ha detto. "Una volta creato sotto pressioni estreme, questo materiale può esistere in condizioni normali, il che significa che potrebbe essere utilizzato per una vasta gamma di applicazioni pratiche."
