像钻石一样坚硬?科学家预测了超硬碳的新形式

天然钻石的莫氏硬度达到了10级。

超硬材料可以用于切割、钻孔和抛光等工艺。此外，超硬材料还能用于制造保护昂贵设备的耐刮涂层。近日，科学家们为制造超硬材料打开了一扇新的大门。sciencedaily.com网站9月9日报道，研究人员利用计算技术鉴定了43种未知碳，这些碳的硬度可能接近或略高于钻石的硬度。相关研究成果发表于《npj计算材料学》杂志。这项工作将计算预测与机器学习结合起来用于晶体结构研究。但是，这项工作目前还只是理论研究。

美国纽约州立大学布法罗分校艺术与科学学院化学系教授Eva Zurek和杜克大学教授Stefano Curtarolo博士共同领导了新材料的预测研究。Zurek教授说：“目前，钻石是市面上最坚硬的材料，但它们太过昂贵。有同事在实验室中做高压实验时，设备上的钻石破裂了。他们真是欲哭无泪。因此，我们希望找到钻石的替代材料。新材料除了可能更硬、更便宜外，还可能具有钻石所不具备的有用特性。例如，它们与热、电的相互作用可能有所不同。”

硬度与材料抵抗形变的能力有关。Zurek解释说：“如果你用硬物刺超硬材料，超硬材料不会出现洞，或者形成的洞会非常小。”科学家们定义，如果某种物质的硬度值超过40千兆帕，那么它就可以被称为超硬物质。Zurek等研究的43种新型碳预计都可以达到这一阈值。其中有3种碳结构的硬度甚至略微超过了钻石的维氏硬度。Zurek提醒说，虽然计算结果非常令人满意，但预测中的部分不确定性不可忽视。

研究人员发现，硬碳结构的晶格中往往含有钻石和六方碳的结构片段。除分析了43种新碳结构，研究人员还预测出其他团队发现的某些碳结构也具备超硬特性。新预测技术除可用于碳材料外，还可以用于识别其他类型的超硬材料。Zurek说：“已知超硬材料非常有限。据我们所知，强键是构成超硬材料的重要条件。碳碳键非常强，这就是我们选择碳作为研究对象的原因。其他可能构成超硬材料的元素还包括氮和硼。”

在项目进行过程中，研究人员使用了Zurek实验室开发的一种用于晶体结构预测的开源进化算法XtalOpt。它可以生成碳的随机晶体结构。随后，研究人员使用机器学习模型对碳的强度进行了预测，并挑选出最具潜力的稳定结果作为“父结构”，进而衍射出其他新结构。为了完善机器学习模型，研究人员使用了Curtarolo教授团队主持的自动流（AFLOW）数据库。Curtarolo教授说：“材料筛选需要花费大量时间。我们使用AFLOW等显著加快了这个过程。”

杜克大学机械工程与材料科学助理研究教授、论文作者Cormac Toher博士总结说：“现在，材料学家们可以用我们开发的计算机技术预测出最好的材料，然后通过实验进行制造了。”

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编译：雷鑫宇 

审稿：alone  

责编：唐林芳 

期刊来源：《npj计算材料学》

期刊编号：2057-3960 

原文链接：

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/09/190909123717.htm

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