Investigadores de la Universidad de Tsukuba utilizaron cálculos informáticos para diseñar un nuevo material a base de carbono incluso más duro que el diamante. Esta estructura, apodado "pentadiamante" por sus creadores, puede ser útil para reemplazar los diamantes sintéticos actuales en tareas de fabricación de corte difíciles.

Diamantes que están hechos completamente de átomos de carbono dispuestos en una red densa, son famosos por su dureza incomparable entre los materiales conocidos. Sin embargo, el carbono puede formar muchas otras configuraciones estables, llamados alótropos. Estos incluyen el conocido grafito con mina de lápiz, así como nanomateriales como los nanotubos de carbono. Las propiedades mecánicas, incluyendo dureza, de un alótropo dependen principalmente de la forma en que sus átomos se unen entre sí. En diamantes convencionales, cada átomo de carbono forma un enlace covalente con cuatro vecinos. Los químicos llaman a los átomos de carbono como este que tienen hibridación sp3. En nanotubos y algunos otros materiales, cada carbono forma tres enlaces, llamada 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 híbridos 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 se basó en un método computacional llamado teoría funcional de la densidad (DFT). La DFT se ha utilizado con éxito en la química y la física del estado sólido para predecir la estructura y las propiedades de los materiales. Realizar un seguimiento de los estados cuánticos de todos los electrones en una muestra, y especialmente sus interacciones, suele ser una tarea intratable. En lugar de, DFT utiliza una aproximación que se centra en la densidad final de los electrones en el espacio que orbitan los átomos.

Esto simplifica el cálculo para que sea adecuado para computadoras, sin dejar de proporcionar resultados muy precisos. Los científicos encontraron que el módulo de Young, una medida de dureza, de pentadiamante se predijo que sería casi 1700 GPa, en comparación con aproximadamente 1200 GPa para el diamante convencional.

"El pentadiamante no solo es más duro que el diamante convencional, su densidad es mucho menor, igual al del grafito, "explica la coautora, la profesora Mina Maruyama.

"Este trabajo muestra el poder de diseñar materiales ab initio. Además de los usos industriales de corte y 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.