筑波大学 五钻的几何结构
白色和黑色的球分别表示带有四个和三个相邻碳原子的碳原子
学分:筑波大学 筑波大学的研究人员利用计算机计算设计了一种新的碳基材料，比钻石还要坚硬
这种被其创造者称为“五颗钻石”的结构可能有助于在困难的切割制造任务中替代目前的人造钻石
钻石完全由排列成致密晶格的碳原子组成，以其在已知材料中无与伦比的硬度而闻名
然而，碳可以形成许多其他稳定的构型，称为同素异形体
这些包括常见的铅笔芯石墨，以及纳米材料，如碳纳米管
同素异形体的机械性能，包括硬度，主要取决于其原子之间的结合方式
在传统的钻石中，每个碳原子与四个相邻的碳原子形成共价键
化学家称这样的碳原子为sp3杂化
在纳米管和其他一些材料中，每个碳形成三个键，称为sp2杂化
现在，筑波大学的研究人员已经探索了如果用sp3和sp2杂交的混合物将碳原子排列成更复杂的结构会发生什么
“sp2和sp3杂化原子的碳同素异形体由于网络中大量的组合和排列而具有更大的形态多样性，”第一作者藤井靖丸说
为了计算最稳定的原子结构，以及估计其硬度，该团队依赖于一种叫做密度泛函理论的计算方法
密度泛函理论已经成功地应用于整个化学和固体物理领域，用来预测材料的结构和性质
跟踪样品中所有电子的量子态，尤其是它们的相互作用，通常是一项棘手的任务
取而代之的是，密度泛函理论使用了一种近似方法，这种方法关注的是围绕原子运行的空间电子的最终密度
这简化了计算，使其适用于计算机，同时仍能提供非常精确的结果
科学家发现，五颗钻石的杨氏模量(衡量硬度的一个指标)预计接近1700 GPa，而传统钻石的杨氏模量约为1200 GPa
合著者米娜·丸山教授解释说:“五颗钻石不仅比传统钻石坚硬，而且密度比传统钻石低得多，相当于石墨的密度。”
“这项工作从一开始就展示了设计材料的力量
除了工业切割和钻孔用途之外，五钻还可以用来代替目前科学研究中使用的金刚石砧座，以重建行星内部的极端压力，”资深合著者苏苏姆·冈田教授说
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