五角星形的几何结构。白色和黑色的球分别表示具有四个和三个相邻C原子的C原子。
筑波大学的科学家使用计算机计算来提出一种重新排列钻石中碳原子的方法，以使其变得更加坚硬，这在依赖合成切割钻石的工业应用中可能很有用。
筑波大学的研究人员使用计算机计算来设计一种甚至比金刚石更坚硬的新型碳基材料。这种结构被其创造者称为“五面金刚”，可用于在困难的切削加工任务中替代当前的合成钻石。
钻石完全由排列成致密晶格的碳原子制成，以其在已知材料中无与伦比的硬度而闻名。但是，碳可以形成许多其他稳定的构形，称为同素异形体。这些包括铅笔芯中熟悉的石墨，以及纳米材料，例如碳纳米管。同素异形体的机械性能（包括硬度）主要取决于其原子相互键合的方式。在常规金刚石中，每个碳原子与四个相邻原子形成共价键。化学家称这种碳原子具有sp3杂交。在纳米管和其他一些材料中，每个碳形成三个键，称为sp2杂交。
熔融五边形作为五角星形的组成单元。
现在，筑波大学的研究人员已经探索了如果碳原子以sp3和sp2杂交的混合物排列成更复杂的结构会发生什么情况。
第一作者Yasumaru Fujii说：“由于sp2和sp3杂化的碳同素异形体由于网络中大量的组合和排列而具有更高的形态学持久性。”
为了计算最稳定的原子构型并估算其硬度，研究小组采用了一种称为密度泛函理论（DFT）的计算方法。DFT已成功地用于整个化学和固态物理学中，以预测材料的结构和特性。跟踪样本中所有电子的量子态，尤其是它们之间的相互作用，通常是一项艰巨的任务。取而代之的是，DFT使用一种近似方法，着眼于围绕原子运行的空间中电子的最终密度。
这简化了计算，使其适用于计算机，同时仍然提供了非常精确的结果。科学家发现，五钻石的杨氏模量（一种衡量硬度的方法）预计接近1700 GPa，而传统钻石约为1200 GPa。
合著者Mina Maruyama教授解释说：“五金刚石不仅比常规金刚石坚硬，而且密度要低得多，与石墨相当。”“这项工作从头显示了设计材料的力量。除工业切割和钻探用途外，五金刚石还可以代替目前在科学研究中使用的金刚石砧座细胞，以重现行星内部的极端压力。”资深合著者冈田进（Susumu Okada）教授说。
参考：“五角大楼：“ sp2和sp3 C原子的五边形网络的硬碳同素异形体”，藤山保丸，丸山美奈，阮清奎和冈田进（Susumu Okada），2020年6月30日，《物理评论快报》。
10.1103 / PhysRevLett.125.016001
