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Hart wie ein Diamant?

Wissenschaftler prognostizieren neue Formen von superhartem Kohlenstoff

11.09.2019

Bob Wilder / University at Buffalo, adapted from Figure 3 in P. Avery et al., npj Computational Materials, Sept. 3, 2019. The original diagrams from the paper are licensed under CC BY-4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Eine Illustration zeigt drei von 43 neu vorhergesagten superharten Kohlenstoffstrukturen. Die blau gefärbten Käfige sind strukturell mit Diamanten verwandt, und die gelb und grün gefärbten Käfige sind strukturell mit Lonsdaleit verwandt.

Superharte Materialien können andere Objekte schneiden, bohren und polieren. Sie bergen auch das Potenzial für kratzfeste Beschichtungen, die dazu beitragen könnten, teure Geräte vor Beschädigungen zu schützen.

Jetzt öffnet die Wissenschaft die Tür zur Entwicklung neuer Materialien mit diesen verführerischen Eigenschaften.

Forscher haben Computertechniken verwendet, um 43 bisher unbekannte Formen von Kohlenstoff zu identifizieren, die als stabil und superhart gelten - darunter mehrere, die etwas härter als oder fast so hart wie Diamanten sein sollen. Jede neue Kohlenstoffsorte besteht aus Kohlenstoffatomen, die in einem Kristallgitter in einem bestimmten Muster angeordnet sind.

Die Studie kombiniert rechnerische Vorhersagen von Kristallstrukturen mit maschinellem Lernen, um nach neuen Materialien zu suchen. Die Arbeit ist theoretische Forschung, was bedeutet, dass Wissenschaftler die neuen Kohlenstoffstrukturen vorhergesagt, aber noch nicht geschaffen haben.

"Diamanten sind im Moment das härteste Material, das kommerziell erhältlich ist, aber sie sind sehr teuer", sagt die Chemikerin Eva Zurek von der Universität Buffalo. "Ich habe Kollegen, die Hochdruckexperimente im Labor durchführen, Materialien zwischen Diamanten pressen, und sie beschweren sich darüber, wie teuer es ist, wenn die Diamanten brechen."

"Wir würden gerne etwas Härteres als einen Diamanten finden. Wenn Sie andere Materialien finden könnten, die hart sind, könnten Sie sie möglicherweise billiger machen. Sie könnten auch nützliche Eigenschaften haben, die Diamanten nicht haben. Vielleicht werden sie anders mit Wärme oder Strom interagieren, zum Beispiel."

Zurek, PhD, Professor für Chemie am UB College of Arts and Sciences, konzipierte die Studie und leitete das Projekt gemeinsam mit Stefano Curtarolo, PhD, Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften an der Duke University.

Die Suche nach harten Materialien

Die Härte bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, Verformungen zu widerstehen. Wie Zurek erklärt, bedeutet das, dass "wenn man versucht, ein Material mit einer scharfen Spitze einzudrücken, wird kein Loch gemacht, oder das Loch wird sehr klein sein".

Wissenschaftler halten eine Substanz für superhart, wenn sie einen Härtewert von über 40 Gigapascal hat, gemessen durch ein Experiment namens Vickers-Härtetest.

Es wird erwartet, dass alle 43 neuen Kohlenstoffstrukturen der Studie diesen Schwellenwert erreichen werden. Es wird geschätzt, dass drei die Vickers-Härte von Diamanten übertreffen, aber nur um ein kleines Stück. Zurek warnt auch davor, dass es bei den Berechnungen zu Unsicherheiten kommt.

Die härtesten Strukturen, die die Wissenschaftler fanden, enthielten in ihren Kristallgittern tendenziell Fragmente von Diamant und lonsdaleit - auch hexagonaler Diamant genannt -. Neben den 43 neuartigen Kohlenstoffformen prognostiziert die Forschung auch neu, dass eine Reihe von Kohlenstoffstrukturen, die andere Teams in der Vergangenheit beschrieben haben, superhart sein werden.

Beschleunigung der Entdeckung superharter Materialien

Die im neuen Papier verwendeten Techniken könnten zur Identifizierung anderer superharter Materialien eingesetzt werden, einschließlich solcher, die andere Elemente als Kohlenstoff enthalten.

"Es sind nur sehr wenige superharte Materialien bekannt, daher ist es von Interesse, neue zu finden", sagt Zurek. "Eine Sache, die wir über superharte Materialien wissen, ist, dass sie starke Verbindungen haben müssen. Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sind sehr stark, deshalb haben wir uns mit Kohlenstoff beschäftigt. Andere Elemente, die sich typischerweise in superharten Materialien befinden, kommen von der gleichen Seite des Periodensystems, wie Bor und Stickstoff."

Zur Durchführung der Studie verwendeten die Forscher XtalOpt, einen in Zureks Labor entwickelten evolutionären Open-Source-Algorithmus zur Vorhersage von Kristallstrukturen, um zufällige Kristallstrukturen für Kohlenstoff zu erzeugen. Dann setzte das Team ein maschinelles Lernmodell ein, um die Härte dieser Kohlenstoffarten vorherzusagen. Die vielversprechendsten harten und stabilen Strukturen wurden von XtalOpt als "Eltern" genutzt, um zusätzliche neue Strukturen zu schaffen, etc.

Das maschinelle Lernmodell zur Bestimmung der Härte wurde mit der Automatic FLOW (AFLOW) Datenbank trainiert, einer riesigen Bibliothek von Materialien mit berechneten Eigenschaften. Curtarolos Labor unterhält AFLOW und entwickelte zuvor das Modell des maschinellen Lernens mit Olexandr Isayevs Gruppe an der University of North Carolina at Chapel Hill.

"Das ist eine beschleunigte Materialentwicklung. Es wird immer Zeit brauchen, aber wir nutzen AFLOW und maschinelles Lernen, um den Prozess erheblich zu beschleunigen", sagt Curtarolo. "Die Algorithmen lernen, und wenn Sie das Modell gut trainiert haben, wird der Algorithmus die Eigenschaften eines Materials - in diesem Fall die Härte - mit angemessener Genauigkeit vorhersagen."

"Man kann die besten Materialien, die mit Hilfe von Berechnungstechniken vorhergesagt wurden, nehmen und experimentell herstellen", sagt Studienko-Autor Cormac Toher, PhD, Assistant Research Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaft an der Duke University.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

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