有时看似微不足道的细节会对整体情况产生不可思议的影响。这个原则适用于我们生活的许多领域：蒙娜丽莎的神秘微笑，引起了许多理论和猜测；可以完全改变程序功能的一行代码；原子排列的顺序，这会改变物质的特性。今天我们将讨论后者。日本筑波大学的科学家提出了一种理论，据此可以创造出一种新的钻石结构，比已知的矿物更坚硬。科学家将他们的创作命名为“五角大楼钻石”。制造五角形钻石需要什么，它具有什么特性，以及在哪里可以使用这种不寻常的物质？我们将在科学家的报告中找到这些问题的答案。走。
研究基础
碳是元素周期表中普遍存在的元素，并且是多种有机和无机化合物的基础。在自然界中，几乎到处都可以发现碳：石油和泥煤，甲烷和二氧化碳，肌肉和骨骼等。等等简而言之，出于某种原因，碳被认为是地球上生命的主要组成部分之一。
某些物质或化学元素可以在不同条件下以不同形式存在。这称为同素异形体。 Carbon是这项业务的记录保持者，因为它具有9种以上的同素异形修饰。
存在如此大量的碳同素异形体的原因是轨道杂交，边界条件和拓扑缺陷。三种形式的轨道杂交（sp，sp 2和sp 3）代表涵盖所有尺寸的同素异形体：
- sp（聚炔）的一维链；
- sp 2的二维图纸（石墨烯）；
- sp 3的 3D网格（菱形）。
此外，边界条件和拓扑缺陷允许碳形成具有独特形态的其他同素异形体：例如富勒烯和碳纳米管，它们具有不同的电子和结构特性。
各种富勒烯。
由sp 2和sp 3 C原子组成的碳同素异形体由于其形态多样性而引起研究人员的注意，这是由于一个系统中sp 2和sp 3原子的组合数量巨大。例如富勒烯经过高压和高温处理（例如C 60），由于富勒烯和纳米孔之间的共价键，其密度可能较低。
另外，有研究描述了无定形碳的快速淬灭，这导致形成杂化同素异形体sp 2 -sp 3 -Q- 碳，其具有比金刚石更好的磁性和硬度。
碳在科学家手中可以粗略地称为橡皮泥，因为从中可以产生许多具有不同特性和功能的物质，因此会有欲望和幻想。
在这项工作中，科学家们提出了对由碳原子C sp 2和sp 3组成的三维碳同素异形体的理论研究。（五角星钻石）。它可以通过共聚含有五边形环的烃分子（螺[2.4]庚烷-4.6- 二烯（C 7 H 8）和[5.5.5.5]-苯丙氨酸-丁氨酸）来获得。
由于这些构成分子的共聚作用，五角形金刚石由空间群为Fm 3m的五边形环组成。计算表明，五角形金刚石具有高的体积模量* -381 GPa，大约是金刚石的80％。这表明五角形金刚石是固体碳同素异形体。
此外，它具有负的泊松比*（-0.241），这导致极高的杨氏模量*（1691 GPa）和剪切模量* （1113 GPa），高于钻石或其他超强碳纤维。
体积弹性模量* -物质抵抗全面压缩的能力的特征。
泊松比* -相对横向压缩力与相对纵向张力的比。
杨氏模量*（弹性模量）-评估材料在弹性变形下抵抗拉伸，压缩的能力。
剪切模量* -评估材料抵抗剪切变形的能力。五角钻石是一种半导体，其间接带隙*为2.25 eV，预期具有高空穴迁移率*。
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所有计算均基于STATE软件包（STF-ElectronMo）中实施的密度泛函理论进行。
图像＃1
上面的图显示了具有9.195Å晶格参数和Fm 3m空间群的五边形的优化几何形状。共价网络仅由五边形组成，由于C 7 H 8和[5.5.5.5]-苯丙氨酸-丁氨酸的共聚作用，五个边中的三个被相邻的五边形（1a）隔开，它们交替位于立方晶格（1b）的顶点上。 根据这些组成分子及其排列，Peta钻石的晶胞包含22个碳原子：10个是
3和12-通过sp 2原子。另外，属于Fm 3m组的对称算子将独立原子区域的数目减少到三个。
由于网络由sp 2（三配位）和sp 3（四配位）碳原子组成，因此共价键分为两类。计算出的与sp 3原子相关的键长对于C1-C1键为1.563Å，对C2-C3键为1.520Å。但是sp 2原子的键长（C3-C3）为1.349Å，这证实了sp 2原子中存在双键。
如图1a所示，五角形钻石具有大的立方“孔”，边缘为3.664Å，被五边形共价网络包围。因此，它具有低的质量密度，密度为2.26 g / cm 3，类似于石墨，但比金刚石小36％。
五角钻石的相对总能量为275 meV /原子，相当于经典钻石。但是总能量比金刚石，石墨和其他硬碳材料的能量高，尽管比C60的能量低，C60被称为亚稳零维碳同素异形体。适度的总能量由sp 2和sp 3原子的键角的结构变形解释。
关于sp 3原子：尽管C1原子具有几乎完美的sp在结合角为θ212＝ 109.4°的图3的杂交中，C 2原子具有结合角θ212＝ 115.9°和θ323＝ 101.9°，它们比理想sp 3的相应结合角宽和窄。关于sp 2原子：由于五边形网络，与C3有关的键角为θ232= 133.4°，θ233= 113.3°，也比理想sp 2的相应键角更大或更小。
适度的能量还会增加C 7 H 8和[5.5.5.5] -phenestran-tetraine的直接共聚作用时五角金刚石的形成能（ΔE）：
螺二氮杂+芬尼地烯=五钻石+ 12H 2 +ΔE计算出的形成能为0.31 eV /原子，反映出形成具有扭曲键角的sp 2和sp 3碳原子共价网络的能量消耗。
因此，预期将使用Ullmann反应合成溴螺[4.4]壬基-2.7-二烯和溴[5.5.5.5]-苯乙撑五烯而不是它们的主要形式来合成五氧化二钻石。
接下来，我们通过模拟温度为4000 K时的分子动力学研究了五角大楼金刚石的热稳定性。为了了解可能发生的结构变化，在恒定温度下对一个扩展的原子电池（88个碳原子）进行了12 ps（皮秒，1 ps = 10-12 s）并简化为一个（1x1x1），持续146 ps。
图像＃2
根据4000 K下14 ps后的仿真结果，五菱形钻石在复杂原子单元和简化原子单元中都完全保留了其原始拓扑（上图）。
因此，如果使用本工作中提出的适当方案合成五氧化碳，则它在热和能量上都是稳定的。
五方金刚石和其他碳同素异形体的性能比较。
五角形金刚石的机械性能是通过弹性常数cij进行研究的，该常数通过评估相对于变形的总能量的有限差异来确定。弹性常数的计算值是：s 11（= s 22 = s 33）为1715.3 GPa ; s的-283.5 GPa12（= s 13 = s 23）和1187.5 GPa对于s 44（= s 55 = s 66）。
还应当指出的是，这些指标完全满足生于稳定性准则（与11 -用12 > 0℃，用11 + 2C 12 > 0，并用44 > 0），其还指示五菱形的稳定性。
在立方对称的情况下，体积弹性模量由下式计算：B =（s 11 + 2s 12）/ 3。结果，B等于381 GPa，这是钻石对应数字的80％以上。这表明，五角形金刚石是固态碳同素异形体的潜在候选者，尽管其密度非常低（与石墨一样）。
为了进一步研究力学性能，使用以下公式计算五金刚石的杨氏模量：
其中θ和ϕ 是欧拉角*，s ij是由cij确定的弹性柔量，其中s 11 = [c 11 + c 12 ] / [（c 11 -c 12）（c 11 + 2c 12）]，s 12 = [-c 12 ] / [（c 11-c 12）（c 11 + 2c 12）]且s 44 = 1 / c 44。
欧拉角* -描述绝对刚体在三维空间中旋转的角度。
图像5
的五角形钻石的杨氏模量极高，并且在所有方向（3a）都超过1.5 TPa 。知道了杨氏模量和体积弹性模量，就可以计算出剪切模量（3b），对于所有方向来说，剪切模量也很高（1 TPa）。
因此，五角形金刚石相对于各向异性的结构变形可以表现出极高的刚性。杨氏模量和剪切模量高于其他硬质和超硬碳同素异形体（上表）的事实也需要特别注意。
上述模块的如此高的值表明五角大楼钻石应具有负泊松比。通过计算显示泊松比在-0.20至-0.28范围内，这取决于光栅（3c）的方向，从而证实了该说法。这种独特的指标导致这样的事实，即五角形钻石中的声音速度也将非常高（28700 m / s，而普通钻石为12000-18350 m / s）。
图片编号4
上图显示了五角形金刚石的电子结构和状态密度，五角形金刚石是一种间接带隙为2.52 eV的半导体。价带和导带分别位于点L和X。价带的最高分支和导带的最低分支具有明显的色散（1 eV或更大）。
因此，预期五角形金刚石在能带的边缘将具有较小的有效质量：沿着点Γ和W的方向，在点X处计算的电子质量分别为0.98和0.67（小于金刚石的质量）。但是对于价带的边缘，情况则相反：沿点W和Γ的方向，在点L处计算出的孔质量分别为1.59和0.76（大于菱形）。
适度的载流子质量和能带边缘处的高态密度表明，五角大楼对于电子和空穴都可以具有适度的载流子迁移率。色散关系和状态密度表明，五角大楼钻石具有三维体积电子结构，就像钻石一样，反映出其高对称性的三维共价网络。
图像№5
为了更好地理解五角星钻石的电子结构，科学家们对五角星钻石在某些对称点的最高分支和最低分支的波函数进行了研究。
在点L和Γ的价带较高分支的波函数分布在C3原子上，这些C3原子由于其sp 2而具有π键的特征-杂交。在点Γ和X处，导带下部分支的波函数也分布在具有反键π性质的C3原子上。科学家注意到，价态和传导态都不是纯的π态，而是包含少量σ成分的杂化态。这意味着在带边缘附近和周围的电子状态被认为是sp 2 C 二聚体的π电子状态，其距其八个相邻区域约2.6Å。
要更详尽地了解这项研究的细微差别，建议您查看科学家的报告。
结语
在这项研究中，科学家们提出了一种理论，即可以创造出一种性能优于金刚石的碳结构。研究期间进行的计算证实了这一推测。
通过以Fm’3m对称性将螺[2.4]庚烷-4.6- 二烯（C 7 H 8）和[5.5.5.5]-菲-戊四烯共聚，可以合成sp 2和sp 3碳原子的三维共价五边形五角形网络。科学家称他们的创造为五角大楼钻石。
五角金刚石的大多数机械性能都优于我们已知的常规金刚石或其他硬碳同素异形体。奇怪的是，五角形金刚石比金刚石硬，但其密度与石墨相似。
将来，科学家打算将理论转化为实践。但是即使是现在，他们的工作仍清楚地表明，如果您当然注意细节，记住自然法则的所有细微差别并且不惧怕进行实验，那么现代科学的可能性确实是无限的。
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