Pesquisadores da Universidade de Tsukuba usaram cálculos de computador para projetar um novo material à base de carbono ainda mais difícil do que o diamante. Esta estrutura, apelidado de "pentadiamond" por seus criadores, pode ser útil para substituir os diamantes sintéticos atuais em tarefas de fabricação de corte difíceis.

Diamantes, que são feitos inteiramente de átomos de carbono dispostos em uma rede densa, são famosos por sua dureza incomparável entre os materiais conhecidos. Contudo, o carbono pode formar muitas outras configurações estáveis, chamados alótropos. Isso inclui o familiar grafite em grafite de lápis, bem como nanomateriais, como nanotubos de carbono. As propriedades mecânicas, incluindo dureza, de um alótropo dependem principalmente da maneira como seus átomos se ligam uns aos outros. Em diamantes convencionais, cada átomo de carbono forma uma ligação covalente com quatro vizinhos. Os químicos chamam os átomos de carbono assim como tendo hibridização sp3. Em nanotubos e alguns outros materiais, cada carbono forma três ligações, chamado de hibridização sp2.

Agora, pesquisadores da Universidade de Tsukuba exploraram o que aconteceria se os átomos de carbono estivessem dispostos em uma estrutura mais complexa com uma mistura de hibridização sp3 e sp2.

"Alótropos de carbono com átomos hibridizados sp2 e sp3 têm maior diversidade morfológica devido ao grande número de combinações e arranjos em redes, "diz o primeiro autor Yasumaru Fujii.

Para calcular a configuração atômica mais estável, bem como estimar sua dureza, a equipe contou com um método computacional chamado teoria do funcional da densidade (DFT). O DFT tem sido usado com sucesso em toda a química e física do estado sólido para prever a estrutura e as propriedades dos materiais. Acompanhar os estados quânticos de todos os elétrons em uma amostra, e especialmente suas interações, geralmente é uma tarefa intratável. Em vez de, O DFT usa uma aproximação que se concentra na densidade final dos elétrons no espaço orbitando os átomos.

Isso simplifica o cálculo para torná-lo adequado para computadores, ao mesmo tempo em que fornece resultados muito precisos. Os cientistas descobriram que o módulo de Young, uma medida de dureza, de pentadiamundo foi previsto em quase 1700 GPa, em comparação com cerca de 1200 GPa para o diamante convencional.

"Não é apenas o pentadiamundo mais difícil do que o diamante convencional, sua densidade é muito menor, igual ao da grafite, "explica a coautora Professora Mina Maruyama.

"Este trabalho mostra o poder de projetar materiais ab initio. Além dos usos de corte e perfuração industrial, pentadiamonds podem ser usados ​​no lugar de células de bigorna de diamante atualmente usadas em pesquisas científicas para recriar a pressão extrema dentro dos planetas, "disse o co-autor sênior, Professor Susumu Okada.