來自筑波大學的科學家利用計算機計算設計了一種新的碳基材料，其硬度甚至比鉆石還高。這種被發(fā)明者稱為“五角鉆石”的結構，可能有助于在困難的切割制造任務中取代目前的合成鉆石。鉆石完全由排列在致密晶格中的碳原子組成，以其在已知材料中無與倫比的硬度而聞名。然而，碳可以形成許多其他穩(wěn)定的構型，稱為同素異形體。

包括鉛筆芯中常見的石墨，以及碳納米管等納米材料。同素異形體的機械性能，包括硬度，主要取決于原子相互結合的方式。在傳統(tǒng)鉆石中，每個碳原子與四個鄰居形成共價鍵。化學家稱這樣的碳原子為SP3雜化。在納米管和其他一些材料中，每個碳形成三個鍵，稱為sp2雜化?，F(xiàn)在，筑波大學科技訊探索了如果碳原子排列成更復雜的結構，并混合了sp3和sp2結合會發(fā)生什么？

由于晶格網(wǎng)絡中大量的組合和排列，具有sp2和sp3雜化原子的碳同素異形體具有更大的形態(tài)多樣性。為了計算最穩(wěn)定的原子構型，以及估計其硬度，研究小組依賴于一種名為密度泛函理論(DFT)的計算方法。密度泛函理論已被成功地應用于化學和固體物理中，用來預測材料的結構和性能。跟蹤樣本中所有電子的量子態(tài)，特別是它們的相互作用，通常是一項棘手的任務。

取而代之的是，密度泛函理論使用了一個近似值，它關注的是圍繞原子運行的電子在空間中的最終密度。這簡化了計算，使其適用于計算機，同時仍然提供非常精確的結果。科學家們發(fā)現(xiàn)，“五角鉆石”的楊氏模量（衡量硬度的指標）預計接近1700 GPa，而傳統(tǒng)鉆石的楊氏模量約為1200 GPa。五角鉆石不僅比普通鉆石堅硬，其密度也要低得多，與石墨相當。這項研究工作展示了科學家利用計算機從頭開始設計材料的能力。

除了工業(yè)切割和鉆探用途，“五角鉆石”可能會被用來取代目前用于科學研究的鉆石砧單元，以重現(xiàn)行星內(nèi)部的極端壓力?！拔褰倾@石”（SP2和SP3）在密度泛函理論的基礎上，對C原子進行了研究。理論研究表明，“五角鉆石”是一種亞穩(wěn)態(tài)的三維碳同素異構體。具有顯著力學性能的空間群：相對較高的體積模量(381GPa)和負泊松比0.241。相應地，“五角鉆石”具有極高的楊氏模量和剪切模量，分別為1691 GPa和1113 GPa。

這超過了金剛石的楊氏模量和剪切模量，同時“五角鉆石”電子結構是半導體，其間接帶隙為2.52 eV和X分別為價帶邊和導帶邊的點，載流子質(zhì)量相對較小。