日造出比鑽石更硬的人造鑽石

日本築波大學（University of Tsukuba）的研究人員通過電腦計算，設計出一種比鑽石更堅硬的新型碳基材料。發明者把它叫做「五角鑽」（pentadiamond）。

很久以來，人們都認為鑽石是最堅硬的材料。碳原子構成多種同素異形體，包括石墨、碳納米管等。各種材料的機械屬性，包括硬度，主要取決於內部原子之間的綁定方式。

普通鑽石內，每個碳原子與相鄰的四個原子組成共價鍵。化學家把這種結構叫做sp3混成。碳納米管與其他一些碳基材料，每個碳原子組成三個綁定，稱為sp2混成。

築波大學的研究人員探索了這兩種混成結構兼有的複雜結構。「由於網絡內的大量組合和排列方式，既有sp2混成原子又有sp3混成原子的碳材料形態更廣泛。」這份研究的第一作者籐井靖（Yasumaru Fujii）說。

研究人員使用密度泛函理論（DFT）算出最穩定的原子結構，並估計它的硬度。

化學和固態物理學廣泛使用密度泛函理論預測材料的結構和特性。可是要追蹤樣品中所有電子的量子態，特別是它們之間的相互作用，通常很困難。密度泛函理論使用近似模擬，聚焦於繞行原子的電子在軌道空間上的最終密度。這簡化了計算，使其既夠精確，又是電腦可以完成的任務。

研究人員算出「五角鑽」的硬度達到1700 GPa，普通鑽石只有1200 GPa。

合作研究者丸山美奈（Mina Maruyama）說：「五角鑽比普通鑽石更堅硬，可是密度卻低很多，和石墨差不多。」

研究人員表示，這項發明展示了利用電腦從零開始設計材料的實力。

除了在工業切割上的應用，研究人員稱，這種材料也可用於鑽石對頂砧。這種設備利用兩個鑽石平面相互擠壓，產生極高的壓力，模擬極端條件從事研究。◇

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