Наука и техника

Теоретически предсказано существование трёх сверхплотных модификаций углерода

08 июня 2011 года, 17:19 | Текст: Дмитрий Сафин | Послушать эту новость

Интернациональная группа кристаллографов, в которую входит наш соотечественник, выпускник МГУ Артём Оганов, предсказала существование сверхплотных аллотропов углерода.

Аллотропическими модификациями химического элемента называют образуемые им простые вещества, различающиеся по строению и свойствам. В группу наиболее известных аллотропов углерода входят, к примеру, алмаз, графит, графен, нанотрубки и фуллерены. Графен считается самым плотным «двумерным» материалом, а плотность упаковки атомов (число атомов, находящихся в единице объёма) в алмазе устанавливает рекорд для трёхмерных структур.

Выполнив расчёты из первых принципов, учёные, однако, обнаружили сразу три модификации углерода, которые должны существенно — более чем на 3% — превосходить алмаз по плотности упаковки атомов. Новые метастабильные аллотропы были обозначены как hP3, tI12 и tP12. Первые две формы аналогичны модификациям SiO₂ (β-кварцу и кититу), а tP12 напоминает одну из модификаций SiS₂.

Вычисления показывают, что аллотроп hP3 в нормальных условиях должен быть полупроводником с запрещённой зоной шириной в 3,0 эВ, а tI12 и tP12 — диэлектриками с гораздо более широкими запрещёнными зонами (5,5 и 7,3 эВ). Последнее значение стало самым высоким из всех, когда-либо предсказанных или измеренных для модификаций углерода.

Можно также отметить, что найденные аллотропы имеют чрезвычайно большие показатели преломления и сравнимый с алмазным (или несколько больший) модуль всестороннего сжатия, который характеризует давление, необходимое для уменьшения занимаемого материалом объёма. Расчётная твёрдость по Виккерсу равна 87,6 ГПа в случае hP3, 87,2 ГПа (tI12) и 88,3 ГПа (tP12). Если абсолютно аналогичную теоретическую модель применить для оценки свойств алмаза, твёрдость получится чуть более высокой — 94,3 ГПа.

По мнению авторов, новые формы углерода можно получить путём ударного сжатия менее плотных модификаций.

Артём Оганов демонстрирует результаты одного из своих предыдущих исследований, посвящённого фазе высокого давления бора. (Фото Stony Brook University.)

Полная версия отчёта опубликована в журнале Physical Review B.

Подготовлено по материалам Университета Стони-Брук.