ペンタダイヤモンド：ダイヤモンドのように硬い

些細なことのように見える詳細は、全体像に信じられないほどの影響を与えることがあります。この原則は私たちの生活の多くの分野に当てはまります。多くの理論と推測を引き起こしたモナリザの神秘的な笑顔。プログラムの機能を完全に変更できる1行のコード。物質の特性を変化させる原子の配置の順序。後者については本日お話しします。筑波大学（日本）の科学者たちは、既知の鉱物よりも硬いダイヤモンドの新しい構造を作成することができるという理論を提唱しました。科学者たちは彼らの創造物を「ペンタダイヤモンド」と名付けました。ペンタダイヤモンドを作成するために必要なもの、それが持つことができる特性、およびそのような珍しい物質はどこで使用できますか 私たちは科学者のレポートでこれらの質問に対する答えを見つけます。行け。

研究の基礎

炭素は周期表の至る所に存在する元素であり、多種多様な有機および無機化合物の基礎となっています。自然界では、炭素はほぼすべての場所で見つかります。油と泥炭、メタンと二酸化炭素、筋肉と骨などです。等つまり、炭素は地球上の生命の主要な構成要素の1つと考えられています。



特定の物質または化学元素は、さまざまな条件下でさまざまな形で存在する可能性があります。これは同種療法と呼ばれます。カーボンは9以上の同素体の変更があるので、このビジネスの記録保持者です。



そのような多数の炭素同素体が存在する理由は、軌道混成、境界条件、およびトポロジー欠陥です。軌道ハイブリダイゼーションの3つの形式（sp、sp ²およびsp ³）すべての次元をカバーする同素体を表します。

• sp（ポリイン）の1次元チェーン。
• sp ²（グラフェン）の²次元シート。
• sp ³（ダイヤモンド）の3Dメッシュ。

さらに、境界条件とトポロジーの欠陥により、炭素は独特の形態をもつ追加の同素体を形成できます。たとえば、異常な電子的および構造的特性を持つフラーレンやカーボンナノチューブなどです。





さまざまなフラーレン。



sp ²およびsp ³ C原子で構成される炭素同素体は、形態学的多様性のために研究者の注目を集めています。これは、1つのシステム内のsp ²とsp ³原子の膨大な数の組み合わせによるものです。この例としては、高圧と高温で処理されたフラーレン（C _{60など）があります。}）、これはフラーレンとナノサイズの細孔の間の共有結合により低い質量密度を持つ可能性があります。



さらに、アモルファス炭素の急速な消光を説明する研究があり、これにより、ダイヤモンドよりも優れた磁性と硬度を持つハイブリッド同素体sp ² -sp ³ -Q- 炭素が形成されます。



カーボンは科学者の手元では大まかにプラスティシンと呼ばれます。カーボンから、さまざまな特性と機能を持つ多くの物質を作成できるため、欲望と幻想が生まれるからです。



この研究では、科学者は、原子C sp ²およびsp ³で構成される3次元炭素同素体の理論的研究を発表しました。（ペンタダイヤモンド）。五角形の環を含む炭化水素分子（スピロ[2.4]ヘプタン-4.6- ジエン（C ₇ H ₈）および[5.5.5.5]-フェネストラン-テトライン）の共重合によって得られます。



ペンタダイヤモンドは、これらの構成分子が共重合しているため、空間群Fm¯3mの五角形のリングで構成されています。計算により、ペンタダイヤモンドの体積弾性率は* -381 GPaと高く、これはダイヤモンドの約80％です。これは、ペンタダイヤモンドが固体炭素同素体であることを示唆しています。



さらに、負のポアソン比*（-0.241）があり、非常に高いヤング率*（1691 GPa）とせん断弾性率*につながります。 （1113 GPa）、これはダイヤモンドまたは他の超強力炭素のそれよりも高い。

バルク弾性係数* -物質があらゆる方向の圧縮に抵抗する能力の特性。

ポアソン比* -相対的な横方向の圧縮と相対的な縦方向の張力の比。

ヤング率*（弾性率）-弾性変形下での引張、圧縮に抵抗する材料の能力の評価。

せん断弾性率* -せん断変形に抵抗する材料の能力の評価。

ペンタダイヤモンドは、間接バンドギャップ*が2.25 eVの半導体であり、高い正孔移動度*が期待されます。

* — , .

* — .

すべての計算は、STATEソフトウェアパッケージ（STF-ElectronMo）に実装されている密度汎関数理論に基づいて実行されました。





画像＃1上



の図は、格子パラメータが9.195Å、空間群がFm¯3mの五角形の最適化された形状を示しています。共有ネットワークは専ら5つのエッジの三は、隣接する五角形（によって分離された五角形、からなる1A Cの共重合に起因する）、₇ H ₈と交互立方格子（の頂点に配置されている[5.5.5.5] -phenestran-tetraine、1B）。



これらの構成分子とその配置によれば、ペタダイヤモンドのユニットセルには22個の炭素原子が含まれています。10個はsp³および12-sp ²原子。さらに、Fm¯3mグループに属する対称演算子は、独立した原子領域の数を3つに減らします。



ネットワークはsp ²（3配位）およびsp ³（4配位）炭素原子で構成されているため、共有結合は2つのグループに分類されます。 sp ³原子に関連する計算された結合長は、C1-C1結合では1.563Å、C2-C3では1.520Åです。しかし、sp ²原子の結合長（C3-C3）は1.349Åであり、sp ²原子に二重結合が存在することが確認できます。1aに



示すように、ペンタダイヤモンドは、五角形の共有ネットワークで囲まれた、3.664Åのエッジを持つ大きな立方体の「細孔」を持っています。その結果、それはグラファイトのように2.26 g / cm ^3の密度で低い質量密度を持っていますが、ダイヤモンドより36％少ないです。



ペンタダイヤモンドの相対総エネルギーは275 meV /原子で、これは古典的なダイヤモンドに相当します。しかし、総エネルギーは、準安定ゼロ空間炭素同素体であることが知られているC60のエネルギーよりは低いものの、ダイヤモンド、グラファイト、およびその他の硬質炭素材料のエネルギーよりも高くなっています。中程度の総エネルギーは、sp ²およびsp ³原子の結合角の構造的歪みによって説明されます。



sp ³原子について：C1原子がほぼ完全なspを持っているという事実にもかかわらず³結合角θ212= 109.4°でのハイブリダイゼーション、C2原子の結合角θ212= 115.9°とθ323= 101.9°は、理想的なsp ^3の対応する結合角よりも広く、狭くなっています。sp ²原子について：五角形のネットワークのため、C3に関連する結合角はθ232= 133.4°およびθ233= 113.3°であり、理想的なsp ^2の対応する結合角よりも大きいまたは小さいです。



中程度のエネルギーは、C ₇ H ₈と[5.5.5.5] -phenestran-tetraineの直接共重合時に、ペンタダイヤモンドの生成エネルギー（ΔE）も増加させます。

スピロナジエン+ fenestratetraene =ペンタダイヤモンド+ 12H ₂ +ΔE

計算された形成エネルギーは0.31 eV /原子で、結合角が歪んだsp ²およびsp ³炭素原子の共有結合ネットワークを形成するためのエネルギー消費を反映しています。



したがって、ペンタダイヤモンドは、ブロモスピロ[4.4]ノナ-2.7-ジエンおよび臭素[5.5.5.5]-フェネストラテトラエンの主要な形態の代わりにウルマン反応を使用して合成されることが予想されます。



次に、4000 Kの温度で分子動力学をシミュレーションすることにより、ペンタダイヤモンドの熱安定性を調べました。どのような構造変化が起こり得るかを理解するために、分子動力学計算は、12 ps（ピコ秒、1 ps = 10〜12秒）、146 psの簡略化（1x1x1）。





画像＃2



4000 Kで14 ps後のシミュレーション結果によると、ペンタダイヤモンドは複雑な原子セルと単純化された原子セルの両方で元のトポロジを完全に保持しています（上記のグラフ）。



したがって、ペンタダイヤモンドは、この研究で提案されている適切なスキームを使用して合成された場合、熱的およびエネルギー的に安定しています。





ペンタダイヤモンドと他の炭素同素体の特性の比較。



ペンタダイヤモンドの機械的特性は、弾性定数cijによって調べられました。弾性定数は、変形に関する全エネルギーの有限差を評価することによって決定されます。弾性定数の計算値であった：秒間1715.3 GPaで₁₁（= S ₂₂ = S ₃₃）。 −283.5 GPa for s₁₂（= s ₁₃ = s ₂₃）およびs _44の 1187.5 GPa （= s ₅₅ = s ₆₆）。



（とまた、これらの指標は、完全に生まれた安定性基準を満たすことに留意すべきである₁₁ -と₁₂で、> 0 ₁₁ + 2C ₁₂ > 0とを有する₄₄ > 0）、さらにペンタダイヤモンドの安定性を示し、。



立方対称の場合、体積弾性係数は次の式で計算されます。B =（s ₁₁ + 2s ₁₂）/ 3。その結果、Bは381 GPaになり、ダイヤモンドの対応する数値の80％を超えました。これは、密度が（グラファイトのように）かなり低いにもかかわらず、ペンタダイヤモンドが固体炭素同素体の潜在的な候補であることを示唆しています。



機械的特性をさらに調査するために、ペンタダイヤモンドのヤング率を次の式を使用して計算しました。





ここで、θとϕ はオイラー角*、s _ijはcijによって決定される弾性コンプライアンスであり、s ₁₁ = [c ₁₁ + c ₁₂ ] / [（c ₁₁ -c ₁₂）（c ₁₁ + 2c ₁₂）]、s ₁₂ = [-c ₁₂ ] / [（c ₁₁-c ₁₂）（c ₁₁ + 2c ₁₂）]およびs ₄₄ = 1 / c ₄₄。

オイラー角*-3次元空間における絶対剛体の回転を表す角度。

画像番号3



ペンタダイヤモンドのヤング率は非常に高く、すべての方向で1.5 TPaを超えています（3a）。ヤング率と体積弾性率が分かれば、せん断弾性率（3b）を計算することができます。これも、すべての方向で非常に高い（1 TPa）ことがわかりました。



その結果、ペンタダイヤモンドは、異方性構造変形に比べて非常に高い剛性を示すことができます。ヤング率とせん断弾性率が他の硬質および超硬質炭素同素体（上記の表）よりも高いという事実も、特別な注意が必要です。



上記のモジュールのこのような高い値は、ペンタダイヤモンドのポアソン比が負であることを示しています。このステートメントは、グレーティングの方向に応じて、-0.20から-0.28の範囲のポアソン比を示す計算によって確認されました（3c）。このようなユニークな指標は、ペンタダイヤモンドの音速も非常に高いという事実につながります（通常のダイヤモンドの12000〜18350 m / sに対して28700 m / s）。





画像4



上のグラフは、2.52 eVの間接バンドギャップを持つ半導体であるペンタダイヤモンドの電子構造と状態密度を示しています。価電子帯と伝導帯は、それぞれ点LとXにあります。価電子帯の最も高い分岐と伝導帯の最も低い分岐には、大きな分散があります（1 eV以上）。



したがって、ペンタダイヤモンドのバンドの端では有効質量が小さいことが予想されます。点Xでの電子の計算された質量は、点ΓおよびWへの方向に沿って、それぞれ0.98および0.67（ダイヤモンドの質量よりも小さい）です。しかし、価電子帯のエッジに関しては、状況は逆です。点Lで計算された正孔の質量は、点Wおよびtoの方向に沿って、それぞれ1.59および0.76（ダイヤモンドの質量よりも大きい）です。



適度なキャリア質量とバンドエッジでの高密度の状態は、ペンタダイヤモンドが電子と正孔の両方に対して適度なキャリア移動度を持つことができることを示唆しています。分散関係と状態密度は、ペンタダイヤモンドが、ダイヤモンドのような3次元の体積電子構造を持っていることを示しています。これは、対称性の高い3次元共有ネットワークを反映しています。





画像№5



ペンタダイヤモンドの電子構造をよりよく理解するために、科学者たちは特定の対称点でペンタダイヤモンドの最高分岐と最低分岐の波動関数の研究を行いました。



点Lとatにおける価電子帯のより高い分岐の波動関数は、sp ²により、π結合の特性を持つC3原子に分布します。-ハイブリダイゼーション。点XとXにおける伝導帯の下側の分岐の波動関数も、反結合π性質を持つC3原子に分布しています。科学者たちは、価電子状態と伝導状態の両方が純粋なπ状態ではなく、少量のσ成分を含む混成状態であることを指摘しています。これは、バンドエッジ付近およびその周辺の電子状態が、隣接する8つの領域から約2.6Å離れているsp ² C 二量体のπ電子状態と見なされることを意味します。



研究のニュアンスの詳細については、科学者のレポートを調べることをお勧めします。

エピローグ

この研究では、科学者たちは、ダイヤモンドよりも優れた特性を持つ炭素構造を作成することが可能であるという理論を進めてきました。研究中に行われた計算はこの推測を裏付けました。



スピロ[2.4]ヘプタン-4.6- ジエン（C ₇ H ₈）と[5.5.5.5]-フェネストラン-テトラインのFm¯3m対称性との共重合により、sp ²およびsp ³炭素原子の³次元共有五角形ネットワークを合成できます。科学者たちは彼らの創造をペンタダイヤモンドと呼びました。



ペンタダイヤモンドの機械的特性のほとんどは、私たちに知られている従来のダイヤモンドまたは他の硬質炭素同素体よりも優れています。不思議なことに、ペンタダイヤモンドはダイヤモンドよりも硬いですが、密度はグラファイトの密度と同じです。



将来、科学者は理論を実践に移すつもりです。しかし、今でも、彼らの研究は明らかに、現代科学の可能性が本当に無限であることを示しています。もちろん、細部に十分に注意を払い、自然法則のすべてのニュアンスを覚え、実験を恐れない場合。







あなたの注意をありがとう、好奇心を持ち続けて、素晴らしい週末の人を持っています！:)

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