客观日本

筑波大学预言存在比金刚石更轻更坚固的 “五角金刚石”

2020年07月08日 化学材料

日本筑波大学数理物质系的丸山实那助教和冈田晋教授、筑波大学研究生院理工情报生命学术院博士一年级的藤井康丸等人组成的研究团队,从理论上预测了通过组合五个碳原子呈环状结合的“五角金刚石”三维碳晶体的可能性。另外,基于量子力学的物理性能模拟显示,这种物质比金刚石更轻更坚固。

石墨和金刚石等碳晶体长期以来始终是基础科学和应用科学的研究对象。这些晶体的碳原子间的化学键非常强,作为同时具备高机械韧性和稳定性的功能性材料广受关注。

此次,研究团队从几何学角度预测,通过共享由碳原子构成的五角形(五员环)的边,能构筑对称性非常高的三维碳共价键网络,并将其命名为“五角金刚石”。研究发现,五角金刚石是一种极为坚固的碳晶体,杨氏模量和剪切模量远远高于金刚石,是极为坚固的碳同素异形体。另外还确认,五角金刚石具有负泊松比,针对外力可能会表现出与普通物质相反的结构响应特性。

这个结果表明,五角金刚石是有望在高硬度结构材料和压电材料等非常广泛的领域作为功能性材料应用的物质。

研究背景

众所周知,由于碳的键合形式多种多样,石墨和金刚石等碳晶体存在非常多的结构,而且其物理性能高度取决于形状。另外,很多晶体由于碳原子之间的共价键非常牢固,作为轻量高硬度的材料受到了关注。

研究团队此前通过实验合成了大量晶体结构不同的碳,并从理论上进行了预测。已知其中很多碳晶体针对某种特定变形拥有超过金刚石的高弹性模量,但几乎没发现有整体都表现出高弹性模量的碳晶体,其合成和预测备受期待。

研究内容与成果

该研究团队从几何学角度预测,通过全部共享由碳原子构成的五角形的边(图1),能构筑对称性非常高的三维碳共价键网络,并将其命名为五角金刚石(图2)。五角金刚石的质量密度(2.26g/cm3)只有金刚石的60%左右,是非常轻的三维碳晶体,由四配位和三配位的碳原子构成。

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图1:共享五角金刚石的构成要素——五角形边结构

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图2:五角金刚石的结构。
白圈表示与四个相邻的碳原子键合的碳原子,黑圈表示与三个相邻的碳原子键合的碳原子。

另外,研究团队还对这种五角金刚石实施了基于量子力学的物理性能模拟,确认五角金刚石是稳定的碳晶体候选物质。此外,弹性模量解析显示,五角金刚石拥有金刚石80%的体积弹性模量、1.3倍的杨氏模量和1.8倍的剪切弹性模量,对于拉伸和扭曲等各向异性结构变形,具有远远高于金刚石的韧性。

另外研究团队还发现,五角金刚石具有负泊松比,对拉伸和压缩表现出奇妙的力学反应,即垂直方向的截面增加或减少。此外,这种负泊松比表明,五角金刚石在现有物质中拥有最快的物质中音速。

未来展望

预测具有稳定的能量结构表明,将来有望合成新的碳晶体。这能促进碳物质科学的进一步发展。

另外,五角金刚石的轻质和高韧性表明其可应用于新的高硬度材料,有望开发采用五角金刚石的耐冲击材料。此外,从负泊松比来看,还有望应用于压电材料等利用结构变形的新功能性材料。

论文信息
题目:Pentadiamond:A Hard Carbon Allotrope of a Pentagonal Network of sp2 and sp3 C Atoms
期刊:《Physial Review Letters》
URL:journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.016001

日语发布原文

文:JST客观日本编辑部

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