phys.org、Science Codex、ZeeNews、IEN、Kitco等多家媒体都在报道一件新鲜事:日本筑波市(Tsukuba)大学的研究人员在电脑上设计出了一种比钻石硬度更高的碳基材料。这种材料被命名为“PentaDiamond”,将来也许可以用在一些难度较高的切割加工领域。
一直以来,钻石都是自然界中最硬的天然物质,原因就是其中的碳原子共价键结构。然而,碳原子可以形成很多种不同的稳定结构,即我们所说的“同素异形体”(allotropes),其中就包括了石墨、碳纳米管等等。
碳纳米管(nanotubes)的硬度取决于里面碳原子互相结合的方式。
对于传统的钻石而言,每一个碳原子和周边的四个碳原子形成共价键(covalent bond)。我们可以粗浅地把这种化学结构叫做“SP3杂化”
在碳纳米管和其他的一些材料中,每个碳原子和周边的三个碳原子形成共价键,这是SP2杂化。
筑波大学的研究者发现,如果碳原子以SP3和SP2混搭的方式组合,会产生奇妙的效果。
“同时存在SP2杂化和SP3杂化的碳同素异形体,具有更大的形态密度。”——藤井靖一。
研究小组为了计算最稳定的原子组合结构,采用了一种叫DFT(density functional theory,密度泛函理论)的计算方法。DFT之前在化学和固体物理领域被广泛应用于预测材料的结构和属性。一般来说,人们很难跟踪一个材料中所有电子的量子态,但DFT却采用近似的方法测算原子周围空间内的电子密度,从而简化了整个计算过程,也能通过电脑计算出非常精确的结果。
科学家发现,PentaDiamond的杨氏模量(Young's modulus,用于测量硬度)高达1700GPa,而传统钻石只有1200GPa。
有趣的是,PentaDiamond虽然比传统钻石更硬,但密度却低得像石墨一样。未来,PentaDiamond可能被用于切割、钻探,以及用于再现行星内部高压状态的科研工作,具有很大的发展空间。