(PhysOrg.com) -- En appliquant une pression extrême pour comprimer et aplatir les nanotubes de carbone, les scientifiques ont découvert qu'ils peuvent créer un nouveau polymère de carbone dont les simulations montrent qu'il est suffisamment dur pour casser le diamant. Le processus de formation induit par la pression du nouvel allotrope de carbone, appelé Cco-C 8 , est similaire à la polymérisation 3D du buckminsterfullerène semblable à un ballon de football, C 60 , à haute pression. Lorsque le faisceau de nanotubes de carbone est soumis à une compression supplémentaire, il devient encore plus déformé et aplati pour produire le Cco-C 8 structure.

Les scientifiques, dirigé par le professeur Yongjun Tian du State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology de l'Université Yanshan à Qinhuangdao, Chine, ont publié leur étude sur le nouveau carbone superdur dans un récent numéro de Lettres d'examen physique . ¹

« Le carbone du matériau étoilé existe dans diverses architectures en raison de sa capacité à former des sp-, sp ² -, et sp ³ -les liaisons hybridées, favoriser le graphite, diamant, lonsdaléite, carabine, chaoïte, carbone amorphe, nanotubes, fullerènes, graphène, etc, " Tian a dit PhysOrg.com . « Ces allotropes de carbone possèdent des propriétés exceptionnelles et inégalées, ainsi qu'une importance scientifique et technologique unique, de telle sorte que la recherche de nouveaux allotropes de carbone est depuis longtemps un sujet brûlant dans les communautés de recherche scientifique. La plus grande importance de ce travail réside dans la nouvelle stratégie de compression directe des faisceaux de nanotubes de carbone pour concevoir et synthétiser de nouveaux allotropes de carbone métastables. Cette stratégie implique que certaines phases métastables de carbone avec une énergie plus élevée peuvent également être obtenues expérimentalement.

Comme l'expliquent les scientifiques, appliquer une pression sur certains de ces allotropes de carbone peut modifier les liaisons, résultant en différentes formes de carbone avec de nouvelles propriétés électroniques et mécaniques.

Au lieu de rechercher expérimentalement de nouveaux allotropes de carbone, les scientifiques ont utilisé ici une technique récemment développée appelée analyse de structure cristalline par optimisation d'essaim de particules (CALYPSO). Cette recherche informatisée a été conçue pour prédire des structures cristallines stables en utilisant uniquement les compositions chimiques d'un composé donné dans des conditions externes spécifiées, comme la pression.

Les simulations CALYPSO ont d'abord donné plusieurs structures carbonées déjà connues expérimentalement (comme le graphite et le diamant) ou théoriquement proposées (comme le chiral C 6 ). Les simulations ont ensuite révélé le roman Cco-C 8 allotrope, un polymère 3D composé de minces (2, 2) des nanotubes de carbone interconnectés par des anneaux de carbone à 4 et 6 membres, qui survient en raison de la formation de liaisons supplémentaires entre les atomes de carbone.

Les simulations ont montré que Cco-C 8 a une dureté Vickers de 95,1 GPa, ce qui est légèrement inférieur aux 97,5 GPa du diamant. Bien qu'il existe plusieurs façons de mesurer la dureté d'un matériau, La dureté Vickers est l'une des méthodes les plus courantes. Dans cette méthode, un objet pointu est comprimé dans un matériau, et les dimensions de l'indentation résultante sont mesurées.

« La dureté est utilisée comme l'une des propriétés mécaniques macroscopiques des matériaux depuis environ trois siècles, », a expliqué Tian. « D'habitude, La dureté peut être définie macroscopiquement comme la capacité d'un matériau à résister aux rayures ou aux bosses par un autre. Récemment, nous avons défini la dureté au microscope comme la résistance combinée des liaisons chimiques dans un cristal à l'indentation. ²

Bien que Cco-C 8 a une dureté Vickers légèrement inférieure à celle du diamant, les scientifiques prédisent que Cco-C 8 devrait être assez dur pour rayer et casser le diamant. Comme l'explique Tian, c'est parce que Cco-C 8 La résistance à la compression est supérieure à la résistance au cisaillement du diamant.

« La résistance mécanique ou résistance idéale d'un matériau dépend des modes de chargement de traction, cisaillement et compression, " a-t-il dit. « Par exemple, la résistance à la traction et la résistance au cisaillement du diamant sont d'environ 90 GPa, tandis que sa résistance à la compression atteint 223 GPa. S'il est forcé dans la surface d'un seul cristal de diamant, Cco-C 8 comme un pénétrateur est principalement dans un état comprimé, les liaisons chimiques du diamant sous le pénétrateur résistent à la déformation en compression, et les liaisons autour du pénétrateur résistent à la déformation par cisaillement. Bien que Cco-C 8 a une dureté légèrement inférieure à celle du diamant, la résistance à la compression du Cco-C 8 devrait être beaucoup plus élevé que la résistance au cisaillement du diamant. Lorsque la contrainte dans la zone de déformation par cisaillement dépasse la résistance au cisaillement du diamant, une empreinte est formée. En d'autres termes, Cco-C 8 est capable de casser le diamant.

Cco-C 8 ne sera peut-être pas trop difficile à synthétiser à l'avenir. Les simulations ont montré que Cco-C 8 est très stable ; le nouvel allotrope de carbone est énergétiquement plus favorable que presque toutes les autres structures de carbone théoriques. Aussi, les simulations suggèrent que Cco-C 8 peut être synthétisé en compressant directement des faisceaux de nanotubes de carbone d'une manière similaire à la synthèse 3D C 60 polymères.

En réalité, Cco-C 8 peut-être déjà été synthétisé sans le savoir. Des expériences antérieures sur la compression à froid de faisceaux de nanotubes de carbone ont donné une nouvelle phase de carbone identifiée à l'origine sous le nom de P-62c. Cependant, Tian et ses coauteurs pensent que la structure était plus probablement Cco-C 8 .

En outre, les chercheurs s'attendent à ce que d'autres nouveaux matériaux carbonés dotés de propriétés physiques uniques puissent être formés par des techniques de compression similaires en utilisant des nanotubes de tailles différentes ou d'autres structures carbonées. Ils prévoient de rechercher ces matériaux à l'avenir.

« D'abord, nous utiliserons cette stratégie pour concevoir de nouveaux allotropes de carbone, en particulier les carbones extra-durs conducteurs avec partiellement sp ² -liaisons C-C hybridées (dans la structure cristalline de Cco-C 8 , chaque atome de carbone est sp ³ -hybridé), », a déclaré Tian. « Deuxièmement, nous essaierons de synthétiser ces matériaux de carbone conçus en utilisant des faisceaux de nanotubes de carbone à haute pression et haute température.

Il a ajouté que Cco-C 8 pourrait avoir des applications dans des domaines où le diamant a été utilisé comme matériau extra-dur. Et si la recherche CALYPSO découvre des matériaux en carbone superdur conducteurs, ils pourraient avoir des applications potentielles dans les appareils électroniques.

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