I ricercatori dell’Università di Tsukuba hanno utilizzato i calcoli del computer per progettare un nuovo materiale a base di carbonio ancora più duro dei diamanti. Questa struttura, soprannominata “pentadiamond” dai suoi creatori, può essere utile per sostituire gli attuali diamanti sintetici in difficili lavori di produzione. I diamanti, che sono fatti interamente di atomi di carbonio disposti in un reticolo denso, sono famosi per la loro durezza senza pari tra i materiali noti.
Tuttavia, il carbonio può formare molte altre configurazioni stabili, chiamate allotropi. Questi includono la grafite familiare nel piombo della matita, così come i nanomateriali come i nanotubi di carbonio. Le proprietà meccaniche, inclusa la durezza, di un allotropio dipendono principalmente dal modo in cui i suoi atomi si legano tra loro. Nei diamanti convenzionali, ogni atomo di carbonio forma un legame covalente con quattro vicini. I chimici chiamano atomi di carbonio come questo avere ibridazione sp3. Nei nanotubi e in alcuni altri materiali, ogni carbonio forma tre legami, chiamati ibridazione sp2.
Come rendere ancor più duri i diamanti
Ora, i ricercatori dell’Università di Tsukuba hanno esplorato cosa accadrebbe se gli atomi di carbonio fossero disposti in una struttura più complessa con una miscela di ibridazione sp3 e sp2. “Gli allotropi di carbonio con atomi ibridi sia sp2 che sp3 presentano una maggiore diversità morfologica dovuta all’enorme numero di combinazioni e disposizioni nelle reti”, afferma il primo autore Yasumaru Fujii.
Per calcolare la configurazione atomica più stabile, oltre a stimarne la durezza, il team si è basato su un metodo computazionale chiamato teoria funzionale della densità (DFT). DFT è stato utilizzato con successo in tutta la chimica e la fisica dello stato solido per prevedere la struttura e le proprietà dei materiali. Tenere traccia degli stati quantistici di tutti gli elettroni in un campione, e in particolare delle loro interazioni, è di solito un compito irrisolvibile. Invece, DFT utilizza un’approssimazione che si concentra sulla densità finale degli elettroni nello spazio in orbita attorno agli atomi.
“Non solo il pentadiamond è più duro del diamante convenzionale, la sua densità è molto più bassa, uguale a quella della grafite”, spiega la coautrice Mina Maruyama. “Questo lavoro mostra il potere di progettare materiali inizialmente. Oltre agli usi industriali di taglio e perforazione, i pentadiamond potrebbero essere usati al posto delle celle a incudine diamantate attualmente utilizzate nella ricerca scientifica per ricreare l’estrema pressione all’interno dei pianeti”.