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yalefield

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[交流] 上次是三尖两刃碳，这次是密密麻麻碳已有1人参与

三尖两刃碳： T-Carbon，纯粹是算出来的咯（http://muchong.com/bbs/viewthread.php?tid=3129093）
密密麻麻碳：Denser than diamond: Ab initio search for superdense carbon allotropes（http://prb.aps.org/abstract/PRB/v83/i19/e193410）

美国物理学家组织网2011年6月9日报道

美国纽约州立大学石溪分校的科学家通过模拟发现了3种可稳定存在的新型碳结构。这些材料的密度超过现有三维材料中密度最大的钻石，具有独特的电子和光学性能，如能成功合成，将成为材料学领域的一大突破。
相关论文6月7日发表在《物理评论B》（Physical Review B）杂志网络版上。

碳是地球上最常见的一种元素，但其原子的不同组合和结构方式却造就了多种“身怀绝技”的同素异形体：从柔软的石墨到超硬的钻石，从具有完美结构的富勒烯到超级材料碳纳米管。几乎每一种对碳结构的修改都导致了新的技术革命，与碳结构相关的研究在15年内被授予了两次诺贝尔奖（有关富勒烯的研究1996年被授予诺贝尔化学奖，有关石墨烯的研究2010年被授予诺贝尔物理学奖）。

为了探讨是否存在比钻石密度更大的碳结构，研究人员朱强（音）和地质与物理学教授阿特穆斯·欧甘纳夫在不同的温度和压力下对碳原子的结构形式进行了模拟。结果发现了3种可能存在的稳定结构，它们分别被命名为hP3、tI12和tP12。

模拟结果显示，这3种结构的硬度虽然都未超过钻石，但它们的密度却分别比钻石高出1.1%到3.2%，而更高的密度则意味着更好的导电性能和更优异的色散性和折射率，这将使其比钻石更加光彩夺目。

研究人员通过计算发现，3种材料的带隙从3.0伏特到7.3伏特各不相同。带隙是半导体或绝缘体的价带顶端至传导带底端的能量差距，是材料电子结构的一项重要特征。其中tP12具有目前碳同素异形体中最大的带隙，这使其有望成为超导体和新型电子工程材料的有力候选人。

其他有趣的特性包括超低压缩性。当受到压力时，新结构耐压性能比目前绝大多数材料都要好，甚至比目前的纪录保持者钻石还要稍胜一筹。

研究人员称，在合成上目前虽然还没有什么明确的路径，但在高温高压下对石墨或无定形碳（碳同素异形体的一大类，没有特定的原子晶体结构）进行挤压或许能得到一小部分这种新材料。

欧甘纳夫说，碳在结构上的变化使其在物理上具有无穷无尽的应用价值，如果这些预测的材料得以成功合成，将是材料学的一大突破，也将为计算机等领域带来新的变革。

Denser than diamond: Ab initio search for superdense carbon allotropes

Qiang Zhu1,*, Artem R. Oganov1,2, Miguel A. Salvadó3, Pilar Pertierra3, and Andriy O. Lyakhov1

Diamond has the highest number density (i.e., the number of atoms per unit volume) of all known substances and a remarkably high valence electron density (rws = 0.697 ?). Searching for possible superdense carbon allotropes, we have found three structures (hP3, tI12, and tP12) that have significantly greater density. The hP3 and tP12 phases have strong analogy with two polymorphs of silica (β-quartz and keatite), while the tI12 phase is related to the high-pressure SiS2 polymorph. Furthermore, we found a collection of other superdense structures based on the motifs of the aforementioned structures, but with different ways of packing carbon tetrahedra, and among these the hP3 and tI12 structures are the densest. At ambient conditions, the hP3 phase is a semiconductor with the GW band gap of 3.0 eV, tI12 is an insulator with the band gap of 5.5 eV, while tP12 is an insulator, the band gap of which is remarkably high (7.3 eV), making it the widest-gap carbon allotrope. These allotropes are metastable and have comparable to diamond or slightly higher bulk moduli; their Vickers hardnesses are calculated to be 87.6 GPa for hP3, 87.2 GPa for tI12, and 88.3 GPa for tP12, respectively, thus making these allotropes nearly as hard as diamond (for which the same model gives the hardness of 94.3 GPa). Superdense carbon allotropes are predicted to have remarkably high refractive indices and strong dispersion of light.

Physical Review B
原文链接：http://prb.aps.org/abstract/PRB/v83/i19/e193410

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