(Phys.org) -- Une équipe internationale dirigée par Artem R. Oganov, Doctorat, professeur de cristallographie théorique au département de géosciences de l'université Stony Brook, a établi la structure d'une nouvelle forme de carbone. Les résultats de leur travail, « Comprendre la nature du graphite superdur, » ont été publiés le 26 juin dans Rapports scientifiques , une nouvelle revue du Nature Publishing Group.

Le Dr Oganov et son équipe ont utilisé une nouvelle méthode de calcul pour démontrer que les propriétés de ce que l'on pensait auparavant n'être qu'une structure hypothétique d'une forme de carbone superdur appelée « M-carbone » - construite par Oganov en 2006 - correspondaient parfaitement à la données expérimentales sur le « graphite superdur ».

« La plupart des formes connues de carbone ont une histoire colorée de leur découverte et une multitude d'applications révolutionnaires réelles ou potentielles, ", a déclaré Oganov. "Pensez au diamant, un matériau record à plus d'un titre. Pensez au graphène, destiné à devenir le matériau de l'électronique du futur. Ou de fullerènes, dont la découverte a lancé le domaine des nanosciences.

L'histoire d'une autre forme de carbone a commencé en 1963, quand Aust et Drickamer ont comprimé le graphite à température ambiante. La compression à haute température du graphite est connue pour produire du diamant, mais à température ambiante, une forme inconnue de carbone a été produite. Cette nouvelle forme, comme le diamant, était transparent et super dur - mais ses autres propriétés étaient incompatibles avec le diamant ou d'autres formes connues de carbone.

« L'expérience en elle-même est simple et saisissante :vous comprimez du graphite ultra-doux noir, et puis il devient soudainement incolore, transparent, nouvelle forme de carbone superdur et mystérieux - « graphite superdur, ’ », a déclaré Oganov. « L’expérience a été répétée plusieurs fois depuis, et le résultat était le même, mais aucun modèle structurel convaincant n'a été produit, en raison de la faible résolution des données expérimentales.

En utilisant sa méthodologie de prédiction de structure cristalline révolutionnaire, Oganov en 2006 a construit une nouvelle structure superdure à basse énergie de "M-carbone". comme F-, O-, P-, R-, S-, T-, W-, X-, O-, Z-carbones. « L'ironie était que la plupart d'entre eux avaient également des propriétés compatibles avec les observations expérimentales sur le« graphite superdur ». Pour faire la distinction entre ces modèles, des données expérimentales à plus haute résolution et des connaissances théoriques supplémentaires sont nécessaires, " a-t-il dit.

Selon Oganov, la raison pour laquelle le diamant ne se forme pas sur compression à froid du graphite est que la reconstruction nécessaire pour transformer le graphite en diamant est trop importante et est associée à une barrière énergétique trop importante, qui ne peut être surmonté qu'à des températures élevées, quand les atomes peuvent sauter loin. A basse température, le graphite choisit plutôt une transformation associée à la barrière d'activation la plus basse.

On pourrait établir la structure du «graphite extra-dur» en trouvant quelle structure a la plus faible barrière de formation à partir du graphite. Pour faire ça, Oganov, son associé postdoctoral Salah Eddine Boulfelfel, et leur collègue allemand, Professeur Stefano Leoni, de l'Université de technologie de Dresde, a utilisé une approche de simulation puissante, récemment adapté aux matériaux solides, connu sous le nom d'échantillonnage de chemin de transition. Ces simulations ont nécessité certains des supercalculateurs les plus puissants au monde, et finalement prouvé que le "graphite extra-dur" est bien identique au carbone M, précédemment prédit par Oganov.

"Ces calculs sont techniquement extrêmement difficiles, et il nous a fallu plusieurs mois pour les réaliser et les analyser. A la recherche de la vérité, vous devez être prêt à tout résultat, et nous étions prêts à accepter si une autre des nombreuses structures proposées gagnait le concours. Mais nous avons eu de la chance, et notre propre proposition - M-carbon - a gagné, ", a déclaré Oganov.

Un autre résultat de cette étude est un ensemble de mécanismes détaillés de formation de plusieurs allotropes potentiels du carbone. Ceux-ci pourraient être utilisés pour concevoir des voies de leur synthèse pour des applications technologiques potentielles.

« Nous ne savons pas encore quelles applications M-carbon trouvera, mais la plupart des formes de carbone ont réussi à trouver des applications révolutionnaires, et ce matériau étonnant pourrait faire de même, ", a déclaré Oganov.