Los investigadores de la Universidad de Tsukuba utilizaron cálculos por computadora para diseñar un nuevo material a base de carbono aún más duro que el diamante. Esta estructura, denominada "pentadiamond" por sus creadores, puede ser útil para reemplazar los diamantes sintéticos actuales en tareas difíciles de fabricación de corte.
Los diamantes, que están hechos completamente de átomos de carbono dispuestos en una red densa, son famosos por su dureza sin igual entre los materiales conocidos. Sin embargo, el carbono puede formar muchas otras configuraciones estables, llamadas alótropos. Estos incluyen el grafito familiar en plomo de lápiz, comoasí como los nanomateriales como los nanotubos de carbono. Las propiedades mecánicas, incluida la dureza, de un alótropo dependen principalmente de la forma en que sus átomos se unen entre sí. En los diamantes convencionales, cada átomo de carbono forma un enlace covalente con cuatro vecinos. Los químicos llaman a los átomos de carbono comoesto como tener hibridación sp3. En los nanotubos y algunos otros materiales, cada carbono forma tres enlaces, llamados hibridación sp2.
Ahora, los investigadores de la Universidad de Tsukuba han explorado lo que sucedería si los átomos de carbono estuvieran dispuestos en una estructura más compleja con una mezcla de hibridación sp3 y sp2.
"Los alótropos de carbono con átomos hibridados sp2 y sp3 tienen una mayor diversidad morfológica debido a la gran cantidad de combinaciones y arreglos en las redes", dice el primer autor Yasumaru Fujii.
Para calcular la configuración atómica más estable, así como estimar su dureza, el equipo confió en un método computacional llamado teoría funcional de densidad DFT. DFT se ha utilizado con éxito en la química y la física de estado sólido para predecir la estructura y las propiedadesde los materiales. Hacer un seguimiento de los estados cuánticos de todos los electrones en una muestra, y especialmente sus interacciones, suele ser una tarea insoluble. En cambio, DFT utiliza una aproximación que se centra en la densidad final de electrones en el espacio en órbita alrededor de los átomos.
Esto simplifica el cálculo para que sea adecuado para computadoras, al tiempo que proporciona resultados muy precisos. Los científicos descubrieron que el módulo de Young, una medida de dureza, de pentadiamond era de casi 1700 GPa, en comparación con aproximadamente 1200 GPa para los convencionalesdiamante.
"No solo el pentadiamond es más duro que el diamante convencional, sino que su densidad es mucho menor, igual a la del grafito", explica la coautora, la profesora Mina Maruyama. "Este trabajo muestra el poder de diseñar materiales ab initio. Además del corte industrialy usos de perforación, los pentadiamantes podrían usarse en lugar de las células de yunque de diamante que se usan actualmente en la investigación científica para recrear la presión extrema dentro de los planetas ", dijo el coautor principal, el profesor Susumu Okada.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Tsukuba . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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