Los materiales superduros pueden cortar, taladrar y pulir otros objetos. También tienen el potencial de crear recubrimientos resistentes a los rayones que podrían ayudar a mantener los equipos costosos a salvo de daños.

Ahora, la ciencia abre la puerta al desarrollo de nuevos materiales con estas seductoras cualidades.

Los investigadores han utilizado técnicas computacionales para identificar 43 formas de carbono previamente desconocidas que se cree que son estables y superduro, incluidas varias que se prevé que sean un poco más duras o casi tan duras como los diamantes. Cada nueva variedad de carbono consta de átomos de carbono dispuestos en un patrón distinto en una red cristalina.

El estudio, publicado el 3 de septiembre en la revista Materiales computacionales npj :Combina predicciones computacionales de estructuras cristalinas con aprendizaje automático para buscar materiales novedosos. El trabajo es investigación teórica, lo que significa que los científicos han predicho las nuevas estructuras de carbono pero aún no las han creado.

"Los diamantes son en este momento el material más duro disponible comercialmente, Pero son muy caros, ", dice la química de la Universidad de Buffalo, Eva Zurek." Tengo colegas que hacen experimentos de alta presión en el laboratorio, exprimiendo materiales entre diamantes, y se quejan de lo caro que es cuando se rompen los diamantes.

"Nos gustaría encontrar algo más duro que un diamante. Si pudiera encontrar otros materiales que sean duros, potencialmente podría hacerlos más baratos. También pueden tener propiedades útiles que los diamantes no tienen. Tal vez interactúen de manera diferente con el calor o la electricidad, por ejemplo."

Zurek, Doctor., profesor de química en la Facultad de Artes y Ciencias de la UB, concibió el estudio y codirigió el proyecto con Stefano Curtarolo, Doctor., profesor de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en la Universidad de Duke.

La búsqueda de materiales duros

La dureza se relaciona con la capacidad de un material para resistir la deformación. Como explica Zurek, significa que "si intenta sangrar un material con una punta afilada, no se hará un agujero, o el agujero será muy pequeño ".

Los científicos consideran que una sustancia es superdura si tiene un valor de dureza de más de 40 gigapascales, medido a través de un experimento llamado prueba de dureza de Vickers.

Se prevé que las 43 nuevas estructuras de carbono del estudio alcancen ese umbral. Se estima que tres superan la dureza Vickers de los diamantes, pero solo un poquito. Zurek también advierte que hay cierta incertidumbre en los cálculos.

Las estructuras más duras que encontraron los científicos tendían a contener fragmentos de diamante y lonsdaleita, también llamado diamante hexagonal, en sus redes cristalinas. Además de las 43 formas novedosas de carbono, La investigación también predice recientemente que una serie de estructuras de carbono que otros equipos han descrito en el pasado serán superduro.

Acelerando el descubrimiento de materiales superduros

Las técnicas utilizadas en el nuevo documento podrían aplicarse para identificar otros materiales superduros, incluidos los que contienen elementos distintos del carbono.

"Se conocen muy pocos materiales superduros, por lo que es interesante encontrar otros nuevos "Dice Zurek." Una cosa que sabemos acerca de los materiales superduros es que necesitan tener uniones fuertes. Los enlaces carbono-carbono son muy fuertes, por eso miramos el carbono. Otros elementos que suelen estar en materiales superduros provienen del mismo lado de la tabla periódica, como el boro y el nitrógeno ".

Para realizar el estudio, los investigadores utilizaron XtalOpt, un algoritmo evolutivo de código abierto para la predicción de la estructura cristalina desarrollado en el laboratorio de Zurek, para generar estructuras cristalinas aleatorias para el carbono. Luego, el equipo empleó un modelo de aprendizaje automático para predecir la dureza de estas especies de carbono. XtalOpt utilizó las estructuras duras y estables más prometedoras como "padres" para generar nuevas estructuras adicionales, etcétera.

El modelo de aprendizaje automático para estimar la dureza se entrenó utilizando la base de datos Automatic FLOW (AFLOW), una enorme biblioteca de materiales con propiedades calculadas. El laboratorio de Curtarolo mantiene AFLOW y previamente desarrolló el modelo de aprendizaje automático con el grupo de Olexandr Isayev en la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill.

"Se trata de un desarrollo de material acelerado. Siempre va a llevar tiempo, pero utilizamos AFLOW y el aprendizaje automático para acelerar enormemente el proceso, "Dice Curtarolo." Los algoritmos aprenden, y si has entrenado bien el modelo, el algoritmo predecirá las propiedades de un material; en este caso, dureza — con una precisión razonable ".

"Puede tomar los mejores materiales predichos usando técnicas computacionales y hacerlos experimentalmente, "dice el coautor del estudio, Cormac Toher, Doctor., profesor asistente de investigación de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en la Universidad de Duke.