Des chercheurs de l'Université de Tsukuba ont utilisé des calculs informatiques pour concevoir un nouveau matériau à base de carbone encore plus dur que le diamant. Cette structure, surnommé « pentadiamant » par ses créateurs, peut être utile pour remplacer les diamants synthétiques actuels dans les tâches de fabrication de coupe difficiles.

Diamants, qui sont entièrement constitués d'atomes de carbone disposés en un réseau dense, sont célèbres pour leur dureté inégalée parmi les matériaux connus. Cependant, le carbone peut former de nombreuses autres configurations stables, appelés allotropes. Ceux-ci incluent le graphite familier dans la mine de crayon, ainsi que des nanomatériaux tels que les nanotubes de carbone. Les propriétés mécaniques, y compris la dureté, d'un allotrope dépendent principalement de la façon dont ses atomes se lient les uns aux autres. Dans les diamants conventionnels, chaque atome de carbone forme une liaison covalente avec quatre voisins. Les chimistes appellent les atomes de carbone comme celui-ci comme ayant une hybridation sp3. Dans les nanotubes et certains autres matériaux, chaque carbone forme trois liaisons, appelée hybridation sp2.

Maintenant, des chercheurs de l'Université de Tsukuba ont exploré ce qui se passerait si les atomes de carbone étaient disposés dans une structure plus complexe avec un mélange d'hybridation sp3 et sp2.

"Les allotropes de carbone avec des atomes hybrides sp2 et sp3 ont une plus grande diversité morphologique en raison du grand nombre de combinaisons et d'arrangements dans les réseaux, " dit le premier auteur Yasumaru Fujii.

Pour calculer la configuration atomique la plus stable, ainsi que d'estimer sa dureté, l'équipe s'est appuyée sur une méthode de calcul appelée théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). La DFT a été utilisée avec succès dans toute la chimie et la physique des solides pour prédire la structure et les propriétés des matériaux. Garder une trace des états quantiques de tous les électrons d'un échantillon, et surtout leurs interactions, est généralement une tâche insurmontable. Au lieu, DFT utilise une approximation qui se concentre sur la densité finale d'électrons dans l'espace en orbite autour des atomes.

Cela simplifie le calcul pour le rendre adapté aux ordinateurs, tout en fournissant des résultats très précis. Les scientifiques ont découvert que le module de Young, une mesure de dureté, de pentadiamant a été prédit à près de 1700 GPa, contre environ 1200 GPa pour le diamant conventionnel.

"Non seulement le pentadiamant est plus dur que le diamant conventionnel, sa densité est beaucoup plus faible, égal à celui du graphite, " explique la co-auteur, la professeure Mina Maruyama.

« Ce travail montre la puissance de la conception de matériaux ab initio. En plus des usages industriels de la découpe et du perçage, les pentadiamants pourraient être utilisés à la place des cellules à enclume en diamant actuellement utilisées dans la recherche scientifique pour recréer l'extrême pression à l'intérieur des planètes, " a déclaré le co-auteur principal, le professeur Susumu Okada.