Materiais superduros podem fatiar, furar e polir outros objetos. Eles também têm potencial para criar revestimentos resistentes a arranhões que podem ajudar a manter equipamentos caros protegidos contra danos.

Agora, a ciência está abrindo as portas para o desenvolvimento de novos materiais com essas qualidades sedutoras.

Os pesquisadores usaram técnicas computacionais para identificar 43 formas de carbono até então desconhecidas que são consideradas estáveis ​​e superduras - incluindo várias que se prevê serem um pouco mais duras ou quase tão duras quanto os diamantes. Cada nova variedade de carbono consiste em átomos de carbono dispostos em um padrão distinto em uma rede cristalina.

O estudo - publicado em 3 de setembro na revista npj materiais computacionais —Combina previsões computacionais de estruturas cristalinas com aprendizado de máquina para buscar novos materiais. O trabalho é uma pesquisa teórica, o que significa que os cientistas previram as novas estruturas de carbono, mas ainda não as criaram.

"Os diamantes são agora o material mais duro que está disponível comercialmente, mas são muito caros, "diz a química Eva Zurek da University at Buffalo." Tenho colegas que fazem experimentos de alta pressão no laboratório, espremendo materiais entre diamantes, e eles reclamam do quão caro é quando os diamantes quebram.

"Gostaríamos de encontrar algo mais duro do que um diamante. Se você pudesse encontrar outros materiais que sejam duros, potencialmente você poderia torná-los mais baratos. Eles também podem ter propriedades úteis que os diamantes não têm. Talvez eles interajam de forma diferente com calor ou eletricidade, por exemplo."

Zurek, Ph.D., professor de química na UB College of Arts and Sciences, concebeu o estudo e co-liderou o projeto com Stefano Curtarolo, Ph.D., professor de engenharia mecânica e ciência dos materiais na Duke University.

A busca por materiais duros

A dureza está relacionada à capacidade de um material de resistir à deformação. Como Zurek explica, significa que "se você tentar indentar um material com uma ponta afiada, um buraco não será feito, ou o buraco será muito pequeno. "

Os cientistas consideram uma substância superdura se tiver um valor de dureza de mais de 40 gigapascais, medido por meio de um experimento chamado teste de dureza Vickers.

Prevê-se que todas as 43 novas estruturas de carbono do estudo atingirão esse limite. Estima-se que três excedam a dureza Vickers dos diamantes, mas apenas um pouco. Zurek também alerta que há alguma incerteza nos cálculos.

As estruturas mais duras que os cientistas encontraram tendiam a conter fragmentos de diamante e lonsdaleita - também chamado de diamante hexagonal - em suas redes cristalinas. Além das 43 novas formas de carbono, a pesquisa também prevê que uma série de estruturas de carbono que outras equipes descreveram no passado serão superduras.

Acelerando a descoberta de materiais superduros

As técnicas utilizadas no novo artigo podem ser aplicadas para identificar outros materiais superduros, incluindo aqueles que contêm outros elementos além do carbono.

"Muito poucos materiais superduros são conhecidos, então é interessante encontrar novos, "Zurek diz." Uma coisa que sabemos sobre materiais superduros é que eles precisam ter ligações fortes. As ligações carbono-carbono são muito fortes, então é por isso que olhamos para o carbono. Outros elementos que estão normalmente em materiais superduros vêm do mesmo lado da tabela periódica, como boro e nitrogênio. "

Para conduzir o estudo, pesquisadores usaram XtalOpt, um algoritmo evolutivo de código aberto para predição de estrutura cristalina desenvolvido no laboratório de Zurek, para gerar estruturas de cristal aleatórias para o carbono. Então, a equipe empregou um modelo de aprendizado de máquina para prever a dureza dessas espécies de carbono. As estruturas duras e estáveis ​​mais promissoras foram usadas por XtalOpt como "pais" para gerar novas estruturas adicionais, e assim por diante.

O modelo de aprendizado de máquina para estimar a dureza foi treinado usando o banco de dados Automatic FLOW (AFLOW), uma enorme biblioteca de materiais com propriedades que foram calculadas. O laboratório de Curtarolo mantém o AFLOW e desenvolveu anteriormente o modelo de aprendizado de máquina com o grupo de Olexandr Isayev na Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill.

"Isso é um desenvolvimento acelerado de materiais. Sempre vai levar tempo, mas usamos AFLOW e aprendizado de máquina para acelerar bastante o processo, "Curtarolo diz." Os algoritmos aprendem, e se você treinou bem o modelo, o algoritmo irá prever as propriedades de um material - neste caso, dureza - com precisão razoável. "

"Você pode pegar os melhores materiais previstos usando técnicas computacionais e torná-los experimentalmente, "diz o co-autor do estudo Cormac Toher, Ph.D., professor assistente de pesquisa em engenharia mecânica e ciência dos materiais na Duke University.