Terkadang detail yang tampaknya tidak signifikan memiliki dampak yang luar biasa pada keseluruhan gambar. Prinsip ini berlaku untuk banyak bidang kehidupan kita: senyum misterius Mona Lisa, yang memunculkan banyak teori dan spekulasi; satu baris kode yang sepenuhnya dapat mengubah fungsionalitas program; urutan susunan atom, yang mengubah sifat suatu zat. Kami akan berbicara tentang yang terakhir hari ini. Para ilmuwan dari Universitas Tsukuba (Jepang) telah mengemukakan teori yang dengannya memungkinkan untuk membuat struktur baru berlian, yang akan lebih sulit daripada mineral yang dikenal. Para ilmuwan menamai kreasi mereka "penta diamond". Apa yang dibutuhkan untuk membuat berlian penta, sifat apa yang dapat dimilikinya, dan di mana zat yang tidak biasa itu digunakan? Kami akan menemukan jawaban untuk pertanyaan-pertanyaan ini dalam laporan para ilmuwan. Pergilah.
Dasar penelitian
Karbon adalah unsur yang ada di mana-mana dalam tabel periodik dan merupakan dasar untuk berbagai macam senyawa organik dan anorganik. Di alam, karbon dapat ditemukan hampir di mana-mana: minyak dan gambut, metana dan karbon dioksida, otot dan tulang, dll. dll. Singkatnya, karbon dianggap sebagai salah satu blok bangunan utama kehidupan di Bumi karena suatu alasan.
Zat atau unsur kimia tertentu dapat ada dalam berbagai bentuk dalam kondisi yang berbeda. Ini disebut alotropi. Karbon adalah pemegang rekor dalam bisnis ini, karena ia memiliki lebih dari 9 modifikasi alotropik.
Alasan adanya sejumlah besar alotrop karbon adalah hibridisasi orbital, kondisi batas, dan cacat topologi. Tiga bentuk hibridisasi orbital (sp, sp 2 dan sp 3) mewakili alotrop yang mencakup semua dimensi:
- rantai satu dimensi untuk sp (polyyne);
- lembar dua dimensi untuk sp 2 (graphene);
- 3D mesh untuk sp 3 (berlian).
Selain itu, kondisi batas dan cacat topologi memungkinkan karbon untuk membentuk alotrop tambahan dengan morfologi unik: misalnya, fullerene dan karbon nanotube, yang memiliki sifat elektronik dan struktural yang tidak biasa.
Berbagai fullerene.
Karbon alotrop, yang terdiri dari atom sp 2 dan sp 3 C, menarik perhatian para peneliti karena keanekaragaman morfologisnya, yang disebabkan oleh banyaknya kombinasi atom sp 2 dan sp 3 dalam satu sistem. Contohnya adalah fullerene yang diolah dengan tekanan dan suhu tinggi (misalnya, C 60), yang dapat memiliki kepadatan massa rendah karena ikatan kovalen antara fullerene dan pori nanosized.
Selain itu, ada penelitian yang menggambarkan pendinginan cepat karbon amorf, yang mengarah pada pembentukan alotrop hibrida sp 2 -sp 3 -Q- karbon, yang memiliki magnet dan kekerasan lebih unggul dari berlian.
Karbon dapat secara kasar disebut plastisin di tangan para ilmuwan, karena darinya Anda dapat membuat banyak zat dengan sifat dan fungsi yang berbeda, akan ada keinginan dan fantasi.
Dalam karya ini, para ilmuwan mempresentasikan studi teoritis alotrop karbon tiga dimensi, yang terdiri dari atom C sp 2 dan sp 3(penta berlian). Ini dapat diperoleh dengan kopolimerisasi molekul hidrokarbon yang mengandung cincin pentagonal (spiro [2,4] heptana-4,6-diena (C 7 H 8 ) dan [5.5.5.5] -phenestran-tetraine).
Berlian Penta terdiri dari cincin pentagonal dengan grup ruang Fm3m karena kopolimerisasi molekul penyusun ini. Perhitungan menunjukkan bahwa berlian penta memiliki modulus volume tinggi * - 381 GPa, yaitu sekitar 80% dari berlian. Ini menunjukkan bahwa berlian penta adalah alotrop karbon padat.
Selain itu, ia memiliki rasio Poisson negatif * (-0.241), yang mengarah ke modulus Young yang sangat tinggi * (1691 GPa) dan modulus geser * (1113 GPa), yang lebih tinggi dari berlian atau karbon ultra-kuat lainnya.
Modulus elastisitas massal * - karakteristik kemampuan suatu zat untuk menahan kompresi serba.
Rasio Poisson * - rasio kompresi lateral relatif terhadap tegangan longitudinal relatif.
Young's modulus * (modulus of elasticity) - penilaian kemampuan suatu material untuk menahan tegangan, kompresi di bawah deformasi elastis.
Modulus geser * - penilaian kemampuan material untuk menahan deformasi geser.Berlian Penta adalah semikonduktor dengan celah pita tidak langsung * 2,25 eV, yang diharapkan memiliki mobilitas lubang tinggi * .
* — , .
* — .
Semua perhitungan dilakukan berdasarkan teori fungsional kerapatan yang diimplementasikan dalam paket perangkat lunak STATE ( STF-ElectronMo ).
Gambar # 1
Diagram di atas menunjukkan geometri optimal segi lima dengan parameter kisi 9,195 Å dan grup ruang Fm3m. Jaringan kovalen secara eksklusif terdiri dari pentagon, di mana tiga dari lima sisi dipisahkan oleh pentagon tetangga ( 1a ), karena kopolimerisasi C 7 H 8 dan [5.5.5.5] -enestran-tetrain, yang secara bergantian terletak pada simpul kisi kubik ( 1b ).
Menurut molekul penyusun ini dan susunannya, sel satuan berlian peta mengandung 22 atom karbon: 10 adalah sp3 dan 12 - oleh sp 2 atom . Selain itu, operator simetri milik kelompok Fm 3m mengurangi jumlah wilayah atom independen menjadi tiga.
Karena jaringan terdiri dari atom karbon sp 2 (terkoordinasi tiga) dan sp 3 (terkoordinasi empat), ikatan kovalen diklasifikasikan menjadi dua kelompok. Panjang ikatan yang dihitung terkait dengan atom sp 3 adalah 1,563 Å untuk ikatan C1-C1 dan 1,520 Å untuk C2-C3. Tetapi panjang ikatan (C3-C3) untuk atom sp 2 adalah 1,349 Å, yang mengkonfirmasi keberadaan ikatan rangkap dalam atom sp 2 .
Seperti yang ditunjukkan dalam 1a, berlian penta memiliki "pori" kubik besar dengan tepi 3,664 Å, dikelilingi oleh jaringan kovalen pentagonal. Akibatnya, ia memiliki kepadatan massa rendah dengan kepadatan 2,26 g / cm 3 , seperti grafit, tetapi 36% lebih sedikit dari berlian.
Energi total relatif dari berlian penta adalah 275 meV / atom, yang sesuai dengan berlian klasik. Tetapi energi totalnya lebih tinggi dari pada intan, grafit dan bahan karbon keras lainnya, meskipun lebih rendah dari C60, yang dikenal sebagai alotrop karbon nol-dimensi metastable. Energi total moderat dijelaskan oleh distorsi struktural dari sudut ikatan untuk atom sp 2 dan sp 3 .
Mengenai atom sp 3 : terlepas dari kenyataan bahwa atom C1 memiliki sp yang hampir sempurna3 hibridisasi dengan sudut ikatan θ212 = 109,4 °, atom C2 memiliki sudut ikatan θ212 = 115,9 ° dan θ323 = 101,9 °, yang lebih luas dan lebih sempit daripada sudut ikatan yang sesuai dari sp 3 ideal . Mengenai atom sp 2 : karena jaringan pentagonal, sudut ikatan yang terkait dengan C3 adalah 32232 = 133,4 ° dan θ233 = 113,3 °, yang juga lebih besar dan lebih kecil dari sudut ikatan yang sesuai untuk sp 2 yang ideal .
Energi moderat juga meningkatkan energi pembentukan (ΔE) berlian penta setelah kopolimerisasi langsung C 7 H 8 dan [5.5.5.5] -phenestran-tetraine:
spironadien + fenestratetraene = penta diamond + 12H 2 + ΔEEnergi formasi yang dihitung adalah 0,31 eV / atom, yang mencerminkan konsumsi energi untuk pembentukan jaringan kovalen atom karbon sp 2 dan sp 3 dengan sudut ikatan yang terdistorsi.
Dengan demikian, diharapkan bahwa berlian penta akan disintesis menggunakan reaksi Ullmann untuk bromospiro [4.4] nona-2.7-diene dan bromine [5.5.5.5] -phenestratetraene alih-alih bentuk primernya.
Selanjutnya, kami mempelajari stabilitas termal berlian penta dengan mensimulasikan dinamika molekul pada suhu 4000 K. Untuk memahami perubahan struktural apa yang dapat terjadi, perhitungan dinamika molekul dilakukan dengan suhu konstan untuk sel atom yang diperluas (atom karbon 88) selama 12 ps (picoseconds, 1 ps = 10-12 s) dan untuk yang disederhanakan (1x1x1) untuk 146 ps.
Gambar # 2
Menurut hasil simulasi setelah 14 ps pada 4000 K, penta diamond sepenuhnya mempertahankan topologi aslinya baik dalam sel atom yang kompleks maupun yang disederhanakan (grafik di atas).
Akibatnya, berlian penta stabil secara termal dan penuh energi jika disintesis menggunakan skema yang sesuai yang diusulkan dalam karya ini.
Perbandingan sifat-sifat berlian penta dan alotrop karbon lainnya.
Sifat mekanik dari berlian penta dipelajari dengan menggunakan konstanta elastis cij, yang ditentukan dengan mengevaluasi perbedaan yang terbatas dalam energi total sehubungan dengan deformasi. Nilai-nilai yang dihitung dari konstanta elastis adalah: 1715,3 GPa untuk s 11 (= s 22 = s 33 ); −283,5 GPa untuk s12 (= s 13 = s 23 ) dan 1187.5 GPa untuk s 44 (= s 55 = s 66 ).
Juga harus dicatat bahwa indikator-indikator ini sepenuhnya memenuhi kriteria kestabilan Born (dengan 11 - dengan 12 > 0, dengan 11 + 2c 12 > 0 dan dengan 44 > 0), yang juga mengindikasikan stabilitas berlian penta.
Dalam kasus simetri kubik, modulus elastisitas massal dihitung dengan rumus: B = (s 11 + 2s 12) / 3. Akibatnya, B sama dengan 381 GPa, yang lebih dari 80% dari angka yang sesuai untuk berlian. Ini menunjukkan bahwa berlian penta merupakan kandidat potensial untuk karbon alotrop padat, meskipun kerapatannya cukup rendah (seperti grafit).
Untuk penyelidikan lebih lanjut dari sifat mekanik, modulus Young dari penta-berlian dihitung menggunakan rumus: di
mana θ dan ϕ adalah sudut Euler * , s ij adalah kepatuhan elastis yang ditentukan oleh cij dengan hubungan antara 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 )] dan s 44 = 1 / c 44 .
Euler sudut * - sudut yang menggambarkan rotasi benda yang benar-benar kaku dalam ruang tiga dimensi.
Image No. 3
Modulus muda dari berlian penta sangat tinggi dan melebihi 1,5 TPa untuk semua arah ( 3a ). Mengetahui modulus Young dan modulus elastisitas massal, dimungkinkan untuk menghitung modulus geser ( 3b ), yang juga ternyata cukup tinggi (1 TPa) untuk semua arah.
Akibatnya, berlian penta dapat menunjukkan kekakuan ekstrim relatif terhadap deformasi struktural anisotropik. Fakta bahwa modulus Young dan modulus geser lebih tinggi daripada alotrop karbon keras dan superhard lainnya (tabel di atas) juga memerlukan perhatian khusus.
Nilai tinggi dari modul yang dijelaskan di atas menunjukkan bahwa berlian penta harus memiliki rasio Poisson negatif. Pernyataan ini dikonfirmasi oleh perhitungan yang menunjukkan rasio Poisson dalam kisaran dari -0,20 hingga -0,28, tergantung pada arah kisi ( 3c ). Indikator unik semacam itu mengarah pada fakta bahwa kecepatan suara dalam berlian penta juga akan cukup tinggi (28700 m / s versus 12000-18350 m / s untuk berlian biasa).
Gambar No. 4
Grafik di atas menunjukkan struktur elektronik dan kepadatan keadaan berlian penta, yang merupakan semikonduktor dengan celah pita tidak langsung 2,52 eV. Pita valensi dan konduksi masing-masing terletak pada titik L dan X. Cabang tertinggi dari pita valensi dan cabang terendah dari pita konduksi memiliki dispersi yang signifikan (1 eV atau lebih).
Oleh karena itu, diharapkan bahwa berlian penta akan memiliki massa efektif kecil di tepi pita: massa elektron yang dihitung pada titik X adalah 0,98 dan 0,67 (kurang dari berlian) di sepanjang arah ke titik Γ dan W, masing-masing. Tetapi sehubungan dengan tepi pita valensi, situasinya sebaliknya: massa lubang yang dihitung pada titik L adalah 1,59 dan 0,76 (lebih besar dari berlian) di sepanjang arah ke titik W dan Γ, masing-masing.
Massa pembawa moderat dan densitas tinggi dari keadaan di tepi pita menunjukkan bahwa berlian penta dapat memiliki mobilitas pembawa moderat baik untuk elektron maupun lubang. Hubungan dispersi serta kepadatan negara menunjukkan bahwa berlian penta memiliki struktur elektronik volumetrik tiga dimensi, seperti berlian, yang mencerminkan jaringan kovalen tiga dimensi dengan simetri tinggi.
Gambar №5
Untuk pemahaman yang lebih baik tentang struktur elektronik berlian penta, para ilmuwan melakukan studi tentang fungsi gelombang dari cabang tertinggi dan cabang terendah dari berlian penta pada titik-titik simetri tertentu.
Fungsi gelombang dari cabang yang lebih tinggi dari pita valensi pada titik L dan Γ didistribusikan di atas atom C3, yang memiliki karakter ikatan π, karena sp mereka 2-hibridisasi. Fungsi gelombang dari cabang bawah pita konduksi pada titik Γ dan X juga didistribusikan di atas atom C3 dengan sifat ond anti ikatan. Para ilmuwan mencatat bahwa kedua keadaan valensi dan keadaan konduksi bukanlah keadaan π murni, tetapi keadaan hibridisasi yang mengandung sejumlah kecil komponen σ. Ini berarti bahwa keadaan elektronik di dekat dan di sekitar tepi pita dianggap sebagai keadaan elektronik dim dari dimer sp 2 C, yang berjarak sekitar 2,6 Å jauh dari delapan daerah yang berdekatan.
Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan .
Epilog
Dalam studi ini, para ilmuwan telah mengajukan teori bahwa adalah mungkin untuk membuat struktur karbon dengan sifat yang lebih baik daripada berlian. Perhitungan yang dilakukan selama penelitian mengkonfirmasi dugaan ini.
Dengan kopolimerisasi spiro [2,4] heptana-4,6-diena (C 7 H 8 ) dan [5,5,5,5] -tertrain-tetrain dengan simetri Fm3m, jaringan pentagonal kovalen tiga dimensi dari atom karbon sp 2 dan sp 3 dapat disintesis . Para ilmuwan menyebut kreasi mereka berlian penta.
Sebagian besar sifat mekanik dari berlian penta lebih unggul daripada berlian konvensional yang dikenal oleh kita atau alotrop karbon keras lainnya. Anehnya, berlian penta lebih sulit daripada berlian, tetapi kepadatannya mirip dengan grafit.
Di masa depan, para ilmuwan bermaksud menerjemahkan teori ke dalam praktik. Tetapi bahkan sekarang, karya mereka dengan jelas menunjukkan bahwa kemungkinan sains modern benar-benar tak ada habisnya, jika, tentu saja, Anda memperhatikan detail, mengingat semua nuansa hukum alam dan tidak takut untuk bereksperimen.
Jumat off-top:
BBC , . ( , )
BBC , . ( , )
Off-top 2.0:
, , ? , , .. - …
, , ? , , .. - …
Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan bersenang-senang akhir pekan, kawan! :)
Sedikit iklan
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman-teman, cloud VPS untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh Kebenaran Tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps mulai dari $ 19 atau cara membagi server dengan benar? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2x lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas dengan penggunaan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga € 9000 untuk satu sen?