Les matériaux extra-durs peuvent trancher, percer et polir d'autres objets. Ils ont également le potentiel de créer des revêtements résistants aux rayures qui pourraient aider à protéger les équipements coûteux contre les dommages.

Maintenant, la science ouvre la porte au développement de nouveaux matériaux avec ces qualités séduisantes.

Les chercheurs ont utilisé des techniques de calcul pour identifier 43 formes de carbone jusque-là inconnues qui sont considérées comme stables et superdures, dont plusieurs qui seraient légèrement plus dures ou presque aussi dures que les diamants. Chaque nouvelle variété de carbone se compose d'atomes de carbone disposés selon un motif distinct dans un réseau cristallin.

L'étude publiée le 3 septembre dans la revue Matériaux de calcul npj — combine les prédictions informatiques des structures cristallines avec l'apprentissage automatique pour rechercher de nouveaux matériaux. Le travail est une recherche théorique, ce qui signifie que les scientifiques ont prédit les nouvelles structures carbonées mais ne les ont pas encore créées.

« Les diamants sont actuellement le matériau le plus dur disponible dans le commerce, mais ils sont très chers, " dit Eva Zurek, chimiste de l'Université de Buffalo. " J'ai des collègues qui font des expériences à haute pression en laboratoire, serrant les matériaux entre les diamants, et ils se plaignent du prix que cela coûte lorsque les diamants se brisent.

"Nous aimerions trouver quelque chose de plus dur qu'un diamant. Si vous pouviez trouver d'autres matériaux durs, potentiellement, vous pourriez les rendre moins chers. Ils pourraient également avoir des propriétés utiles que les diamants n'ont pas. Peut-être qu'ils interagiront différemment avec la chaleur ou l'électricité, par exemple."

Zurek, Doctorat., professeur de chimie à l'UB College of Arts and Sciences, conçu l'étude et co-dirigé le projet avec Stefano Curtarolo, Doctorat., professeur de génie mécanique et de science des matériaux à l'Université Duke.

La quête des matériaux durs

La dureté se rapporte à la capacité d'un matériau à résister à la déformation. Comme l'explique Zurek, cela signifie que "si vous essayez d'indenter un matériau avec une pointe acérée, un trou ne sera pas fait, ou le trou sera très petit."

Les scientifiques considèrent qu'une substance est super dure si elle a une valeur de dureté supérieure à 40 gigapascals, mesurée par une expérience appelée test de dureté Vickers.

Toutes les 43 nouvelles structures de carbone de l'étude devraient atteindre ce seuil. On estime que trois dépassent la dureté Vickers des diamants, mais seulement un peu. Zurek prévient également qu'il existe une certaine incertitude dans les calculs.

Les structures les plus dures que les scientifiques ont trouvées avaient tendance à contenir des fragments de diamant et de lonsdaléite, également appelés diamant hexagonal, dans leurs réseaux cristallins. En plus des 43 nouvelles formes de carbone, la recherche prédit également récemment qu'un certain nombre de structures de carbone que d'autres équipes ont décrites dans le passé seront super dures.

Accélérer la découverte de matériaux extra-durs

Les techniques utilisées dans le nouveau document pourraient être appliquées pour identifier d'autres matériaux extra-durs, y compris ceux qui contiennent des éléments autres que le carbone.

"Très peu de matériaux extra-durs sont connus, il est donc intéressant d'en trouver de nouveaux, " dit Zurek. " Une chose que nous savons sur les matériaux extra-durs, c'est qu'ils doivent avoir des liaisons fortes. Les liaisons carbone-carbone sont très fortes, c'est pourquoi nous nous sommes penchés sur le carbone. D'autres éléments qui sont généralement dans les matériaux extra-durs proviennent du même côté du tableau périodique, comme le bore et l'azote."

Pour mener l'étude, les chercheurs ont utilisé XtalOpt, un algorithme évolutif open source pour la prédiction de la structure cristalline développé dans le laboratoire de Zurek, pour générer des structures cristallines aléatoires pour le carbone. Puis, l'équipe a utilisé un modèle d'apprentissage automatique pour prédire la dureté de ces espèces de carbone. Les structures dures et stables les plus prometteuses ont été utilisées par XtalOpt en tant que "parents" pour engendrer de nouvelles structures supplémentaires, etc.

Le modèle d'apprentissage automatique pour estimer la dureté a été formé à l'aide de la base de données Automatic FLOW (AFLOW), une énorme bibliothèque de matériaux avec des propriétés qui ont été calculées. Le laboratoire de Curtarolo maintient AFLOW et a précédemment développé le modèle d'apprentissage automatique avec le groupe d'Olexandr Isayev à l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill.

"Il s'agit d'un développement matériel accéléré. Cela prendra toujours du temps, mais nous utilisons AFLOW et l'apprentissage automatique pour accélérer considérablement le processus, " dit Curtarolo. " Les algorithmes apprennent, et si vous avez bien entraîné le modèle, l'algorithme prédit les propriétés d'un matériau - dans ce cas, dureté - avec une précision raisonnable."

"Vous pouvez prendre les meilleurs matériaux prédits à l'aide de techniques informatiques et les fabriquer expérimentalement, " déclare le co-auteur de l'étude, Cormac Toher, Doctorat., professeur adjoint de recherche en génie mécanique et science des matériaux à l'Université Duke.