Νέες υπέρπυκνες μορφές άνθρακα επισκιάζουν και το διαμάντι

Προσομοιώσεις που έκανα ερευνητές στο κρυσταλλογραφικό εργαστήριο του Πανεπιστημίου Stony Brook στη Νέα Υόρκη, έχουν αποκαλύψει τρεις νέες σταθερές μορφές καθαρού άνθρακα, που μπορεί να λάμπουν περισσότερο και από το διαμάντι, εφόσον φυσικά κατασκευαστούν

Τα άτομα του άνθρακα μπορούν να συνδυαστούν με διάφορους τρόπους και το...
κάθε ένα να έχει πολύ διαφορετικά χαρακτηριστικά από τα υπόλοιπα. Ο γραφίτης και το διαμάντι είναι οι πιο γνωστές μορφές, ενώ μια εξωτική μορφή είναι το γραφένιο, με ευέλικτες ηλεκτρικές ιδιότητες, ο άνθρακας-M καθώς και ο άνθρακας Bct, που έχει μια καταπληκτική σκληρότητα σαν το διαμάντι.

Για να διερευνήσουν κατά πόσον θα ήταν δυνατόν να υπάρχουν μορφές άνθρακα πυκνότερες και από το διαμάντι, ο Artem Oganov και οι συνάδελφοί του προχώρησαν προσομοιώνοντας διαφορετικές διαμορφώσεις των ατόμων του άνθρακα και σε διαφορετικές θερμοκρασίες και πιέσεις. Τρεις ενώσεις σε αυτές τις προσομοιώσεις – με το όνομα HP3, tI12 και tP12 - φάνηκαν να είναι σταθερές, ώστε να μπορούν θεωρητικά να φτιαχτούν.

Οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι ναι μεν καμία ένωση δεν θα είναι τόσο σκληρή όσο το διαμάντι, αλλά και οι τρεις τους θα έχουν μια πυκνότητα μεταξύ 1,1 και 3,2 ανά κυβικό μεγαλύτερη.

"Αυτές οι νέες αλλοτροπικές μορφές είναι σημαντικά πυκνότερες από οποιαδήποτε άλλη γνωστή μορφή του άνθρακα», λέει ο Oganov.

Αυτό τους δίνει ένα υψηλότερο δείκτη διάθλασης – ένα μέτρο του πόσο καμπυλώνεται το φως μέσα σε ένα υλικό – που οδηγεί σε μια μεγαλύτερη αίγλη και λάμψη.

Υπεραγώγιμος άνθρακας;

Οι προσομοιώσεις δείχνουν επίσης ότι τα τρία υλικά έχουν ενεργειακές ζώνες χάσματος – ήτοι το ποσό της ενέργειας που απαιτείται για τα ηλεκτρόνια ώστε να μεταπηδήσουν από το ένα επίπεδο ενέργειας σε ένα άλλο – που είναι πολύ διαφορετικές μεταξύ τους. Ένα από αυτά, το tP12, έχει το μεγαλύτερο χάσμα ζώνης από κάθε άλλη αλλοτροπική μορφή άνθρακα. Αυτή η μεταβλητότητα μπορεί να καταστήσει τις αλλοτροπικές αυτές μορφές υποψήφια υλικά για υπεραγωγούς – τις εξωτικές ουσίες που άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς αντίσταση, εξηγεί ο Oganov.

Σύμφωνα με τον Boris Yakobson από το Πανεπιστήμιο Rice στο Χιούστον, η μεγάλη διακύμανση στην ενεργειακή ζώνη χάσματος προϋποθέτει ισχυρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων και των φωνονίων, που είναι πακέτα ενέργειας μέσα στο πλέγμα. Αυτό με τη σειρά του θα μπορούσε να οδηγήσει στο σχηματισμό ζευγών ηλεκτρονίων ή ζεύγη Cooper όπως λέγονται, τα οποία είναι απαραίτητα για την υπεραγωγιμότητα.

Η παρουσία πολύ διαφορετικών ενεργειακών χασμάτων θα μπορούσε, επίσης, να δώσει στα υλικά αυτά κι άλλες μοναδικές ιδιότητες. Έτσι, θα μπορούσαν να κατασκευαστούν νέα ηλεκτρονικά υλικά.

Δυσκολία στην κατασκευή

Βεβαίως η δημιουργία των τριών νέων υλικών θα μπορούσε να είναι αρκετά δύσκολη. "Δεν είναι σαφές πώς μπορούμε να τα κατασκευάσουμε”, λέει ο Vadim Brazhkin του Ινστιτούτου Φυσικής στο Troitsk της Ρωσίας, ο οποίος όμως δεν συμμετείχε στην έρευνα.

"Χρησιμοποιώντας τυπικά παρθένα υλικά, όπως ο γραφίτης ή ο άμορφος άνθρακας [μια αλλοτροπική μορφή στην οποία τα άτομα δεν έχουν κρυσταλλική δομή], μπορούμε να επιτύχουμε την κατασκευή, ενδεχομένως, μιας μικρής ποσότητας από νέα υλικά που να αντέχουν ακραίες πιέσεις”, υποστηρίζει.

Ο Oganov τονίζει ότι η ”τρομερή συμπίεση" του γραφίτη και του άμορφου άνθρακα είναι γνωστό ότι παράγει ένα μεγάλο αριθμό αγνώστων και διακριτών διαμορφώσεων του άνθρακα. Ο ίδιος νομίζει ότι είναι πιθανό ότι ορισμένα από αυτά ενδέχεται να είναι οι νέες αλλοτροπικές μορφές άνθρακα.

Πηγή: New Scientist

(από physics4u)