خماسي الماس: مثل الماس ، فقط أصعب

في بعض الأحيان يكون للتفاصيل التي تبدو غير مهمة تأثير لا يصدق على الصورة العامة. ينطبق هذا المبدأ على العديد من مجالات حياتنا: ابتسامة الموناليزا الغامضة ، والتي أدت إلى الكثير من النظريات والمضاربات ؛ سطر واحد من التعليمات البرمجية يمكنه تغيير وظائف البرنامج تمامًا ؛ ترتيب ترتيب الذرات ، الذي يغير خصائص المادة. سنتحدث عن هذا الأخير اليوم. قدم علماء من جامعة تسوكوبا (اليابان) نظرية مفادها أنه من الممكن إنشاء هيكل جديد من الماس ، والذي سيكون أصعب من المعدن المعروف. أطلق العلماء على اختراعهم اسم "الماس الخماسي". ما هو المطلوب لإنشاء الماس الخماسي ، وما هي الخصائص التي يمكن أن يمتلكها ، وأين يمكن استخدام مثل هذه المادة غير العادية؟ سنجد إجابات لهذه الأسئلة في تقرير العلماء. اذهب.

أساس البحث

الكربون هو عنصر في كل مكان في الجدول الدوري وهو الأساس لمجموعة كبيرة ومتنوعة من المركبات العضوية وغير العضوية. في الطبيعة ، يمكن العثور على الكربون في كل مكان تقريبًا: الزيت والجفت والميثان وثاني أكسيد الكربون والعضلات والعظام ، إلخ. إلخ باختصار ، يعتبر الكربون أحد اللبنات الأساسية للحياة على الأرض لسبب ما.



يمكن أن توجد مواد أو عناصر كيميائية معينة بأشكال مختلفة في ظل ظروف مختلفة. وهذا ما يسمى بالتضخم. الكربون هو صاحب الرقم القياسي في هذا العمل ، لأنه يحتوي على أكثر من 9 تعديلات تآزرية.



أسباب وجود مثل هذا العدد الكبير من خواص الكربون هي التهجين المداري ، والظروف الحدودية ، والعيوب الطوبوغرافية. ثلاثة أشكال من التهجين المداري (sp، sp ² and sp ³) تمثل مؤثرات صوتية تغطي جميع الأبعاد:

• سلاسل أحادية البعد ل س (بوليين) ؛
• ورقة ثنائية الأبعاد ل sp ² (الجرافين) ؛
• شبكة ثلاثية الأبعاد ل sp ³ (الماس).

بالإضافة إلى ذلك ، تسمح ظروف الحدود والعيوب الطوبولوجية للكربون بتشكيل تآثرات إضافية ذات مورفولوجيات فريدة: على سبيل المثال ، الفوليرين والأنابيب النانوية الكربونية ، التي لها خصائص إلكترونية وهيكلية غير عادية.





مجموعة متنوعة من الفوليرين. تجذب ذرات



الكربون ، التي تتكون من ذرات sp ² و sp ³ C ، انتباه الباحثين بسبب تنوعها المورفولوجي ، والذي يرجع إلى العدد الهائل من مجموعات ذرات sp ² و sp ³ في نظام واحد. مثال على ذلك هو الفوليرينات المعالجة بالضغط العالي ودرجة الحرارة (على سبيل المثال ، C ₆₀) ، والتي يمكن أن يكون لها كثافة كتلة منخفضة بسبب الروابط التساهمية بين الفوليرين والمسام النانوية.



بالإضافة إلى ذلك ، هناك دراسات تصف التبريد السريع للكربون غير المتبلور ، مما يؤدي إلى تكوين مادة التآزر الهجينة sp ² -sp ³ -Q- carbon ، التي لها مغناطيسية وصلابة أعلى من الماس.



يمكن أن يطلق الكربون تقريبًا على البلاستيسين في أيدي العلماء ، لأنه من خلاله يمكنك إنشاء الكثير من المواد ذات الخصائص والوظائف المختلفة ، سيكون هناك رغبة وخيال.



في هذا العمل ، قدم العلماء دراسة نظرية لنظير الكربون ثلاثي الأبعاد ، يتكون من ذرات C sp ² و sp ^3.(الماس بنتا). يمكن الحصول عليه عن طريق البلمرة المشتركة لجزيئات الهيدروكربون التي تحتوي على حلقات خماسية (سبيرو [2.4] هيبتان 4.6 ديين (C ₇ H ₈ ) و [5.5.5.5] -فينيستران-تيترين).



يتكون خماسي الماس من حلقات خماسية بمجموعة فضائية Fm¯3m بسبب البلمرة المشتركة لهذه الجزيئات المكونة. أظهرت الحسابات أن الماس الخماسي لديه معامل عالي الحجم * - 381 جيجا باسكال ، وهو ما يقرب من 80٪ من الماس. هذا يشير إلى أن الماس خماسي هو تآزر الكربون الصلب.



بالإضافة إلى ذلك ، لديها نسبة Poisson سلبية * (-0.241) ، مما يؤدي إلى معامل Young عالي للغاية * (1691 GPa) ومعامل القص * (1113 GPa) ، وهو أعلى من الماس أو الكربونات القوية جدًا الأخرى.

معامل المرونة الكلي - خاصية مميزة لقدرة مادة على مقاومة الانضغاط الشامل.

نسبة بواسون * - نسبة الضغط الجانبي النسبي إلى التوتر الطولي النسبي.

معامل يونغ * (معامل المرونة) - تقييم قدرة المادة على مقاومة التوتر والضغط تحت التشوه المرن.

معامل القص * - تقييم قدرة المادة على مقاومة تشوه القص.

خماسي الماس هو أشباه الموصلات مع فجوة نطاق غير مباشرة * تبلغ 2.25 فولت ، والتي من المتوقع أن يكون لها قابلية عالية للتنقل * .

* — , .

* — .

تم إجراء جميع الحسابات على أساس نظرية الكثافة الوظيفية المطبقة في حزمة برمجيات STATE ( STF-ElectronMo ).





الصورة رقم 1:



توضح المخططات أعلاه الشكل الهندسي الأمثل للخماسي مع معلمة شبكية 9.195 Å ومجموعة الفضاء Fm¯3m. تتكون الشبكة التساهمية بشكل حصري من الخماسي ، حيث يتم فصل ثلاثة من الحواف الخمسة بواسطة خماسي مجاورة ( 1a ) ، بسبب البلمرة المشتركة لـ C ₇ H ₈ و [5.5.5.5] - tetrain - tetrain ، والتي تقع بالتناوب عند رؤوس الشبكة المكعبة ( 1 ب ).



وفقًا لهذه الجزيئات المكونة وترتيبها ، تحتوي خلية وحدة الماس بيتا على 22 ذرة كربون: 10 هي س.³ و 12 - بذرتي sp ² . بالإضافة إلى ذلك ، فإن عوامل التماثل التي تنتمي إلى مجموعة Fm¯3m تقلل عدد المناطق الذرية المستقلة إلى ثلاث.



بما أن الشبكة تتكون من ذرات الكربون sp ² (منسقة ثلاثية) و sp ³ (منسقة رباعية) ، يتم تصنيف الروابط التساهمية إلى مجموعتين. أطوال الرابطة المحسوبة المتعلقة بذرات sp ³ هي 1.563 Å لسندات C1-C1 و 1.520 Å لـ C2-C3. لكن طول الرابطة (C3-C3) لذرات sp ² هو 1.349 Å ، مما يؤكد وجود رابطة مزدوجة في ذرات sp ² .



كما هو موضح في 1 أ، الماس البنتا لديه "مسام" مكعبة كبيرة بحواف 3.664، ، محاطة بشبكة تساهمية خماسية. وبالتالي ، فإن لها كثافة كتلة منخفضة بكثافة 2.26 جم / سم ³ ، مثل الجرافيت ، ولكن أقل بنسبة 36٪ من الألماس.



الطاقة الإجمالية النسبية للماس الخماسي هي 275 meV / ذرة ، والتي تقابل الماس الكلاسيكي. لكن الطاقة الإجمالية أعلى من طاقة الألماس والجرافيت والمواد الكربونية الصلبة الأخرى ، وإن كانت أقل من تلك الموجودة في C60 ، والمعروفة بأنها خواص الكربون الصفرية ذات الأبعاد الصفرية. يتم تفسير الطاقة الإجمالية المعتدلة بالتشويه الهيكلي لزوايا الرابطة لذرات sp ² و sp ³ .



فيما يتعلق ذرات sp ³ : على الرغم من حقيقة أن ذرة C1 لها sp مثالية تقريبًا³ التهجين بزاوية رابطة θ212 = 109.4 ° ، ذرة C2 لها زوايا رابطة θ212 = 115.9 ° و θ323 = 101.9 ° ، وهي أوسع وأضيق من زوايا الرابطة المطابقة لـ sp ³ المثالية . فيما يتعلق بذرات sp ² : نظرًا للشبكة الخماسية ، فإن زاوية الرابطة المتعلقة بـ C3 هي θ232 = 133.4 ° و θ233 = 113.3 ° ، وهي أيضًا أكبر وأصغر من زوايا الرابطة المقابلة لـ sp ² المثالية .



تزيد الطاقة المعتدلة أيضًا طاقة تكوين (ΔE) من الماس الخماسي عند البلمرة المشتركة المباشرة لـ C ₇ H ₈ و [5.5.5.5] - تيترين الفينستران:

سبيروناديين + فينستراتيتراين = ماسة خماسية + 12H ₂ + ΔE

الطاقة المحسوبة للتشكيل هي 0.31 eV / ذرة ، مما يعكس استهلاك الطاقة لتشكيل شبكة تساهمية من ذرات الكربون sp ² و sp ³ مع زوايا رابطة مشوهة.



وبالتالي ، من المتوقع أن يتم تصنيع الماس الخماسي باستخدام تفاعل أولمان لبروموسبيرو [4.4] نونا 2.7-ديين وبروم [5.5.5.5] -فينيستراتيتراين بدلاً من شكلها الأساسي.



بعد ذلك ، تم إجراء دراسة على الثبات الحراري للماس الخماسي عن طريق نمذجة الديناميكيات الجزيئية عند درجة حرارة 4000 كلفن. من أجل فهم التغيرات الهيكلية التي قد تحدث ، تم إجراء حسابات الديناميكيات الجزيئية بدرجة حرارة ثابتة لخلية ذرية موسعة (88 ذرة كربون) لمدة 12 ps (picoseconds ، 1 ps = 10-12 ثانية) وواحدة مبسطة (1x1x1) لـ 146 ps.





الصورة رقم 2



وفقًا لنتائج المحاكاة بعد 14 ps عند 4000 كلفن ، يحتفظ الماس الخماسي بشكل كامل بهيكله الأصلي في كل من الخلية الذرية المعقدة والمبسطة (الرسم البياني أعلاه).



وبالتالي ، فإن الماس الخماسي مستقر حرارياً وحيوياً إذا تم تصنيعه باستخدام المخططات المناسبة المقترحة في هذا العمل.





مقارنة بين خصائص الماس خماسي وخواص الكربون الأخرى.



تمت دراسة الخواص الميكانيكية للماس الخماسي عن طريق الثوابت المرنة cij ، والتي يتم تحديدها من خلال تقييم الفرق المحدود في الطاقة الكلية فيما يتعلق بالتشوهات. القيم المحسوبة للثوابت المرنة كانت: 1715.3 GPa لـ s ₁₁ (= s ₂₂ = s ₃₃ )؛ 283.5 جيجا باسكال لـ s₁₂ (= ق ₁₃ = ق ₂₃ ) و 1187.5 غيغا باسكال لـ ق ₄₄ (= ق ₅₅ = ق ₆₆ ).



وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن هذه المؤشرات تلبي تمامًا معيار ثبات Born (مع ₁₁ - مع ₁₂ > 0 ، مع ₁₁ + 2c ₁₂ > 0 ومع ₄₄ > 0) ، والذي يشير أيضًا إلى استقرار الماس الخماسي.



في حالة التناظر التكعيبي ، يتم حساب المعامل الكتلي للمرونة بالصيغة: B = (s ₁₁ + 2s ₁₂) / 3. ونتيجة لذلك ، كان B يساوي 381 GPa ، وهو أكثر من 80٪ من الرقم المقابل للماس. هذا يشير إلى أن الماس الخماسي هو مرشح محتمل لتآثيرات الكربون الصلب ، على الرغم من أن كثافته منخفضة جدًا (مثل كثافة الجرافيت).



لمزيد من التحقيق في الخواص الميكانيكية ، تم حساب معامل Young للماس الخماسي باستخدام الصيغة:





حيث θ و ϕ هما زوايا أويلر * ، s _ij هو التوافق المرن الذي يحدده cij مع العلاقات بين s ₁₁ = [c ₁₁ + c ₁₂ ] / [(c ₁₁ - ج ₁₂ ) (ج ₁₁ + 2 ج ₁₂ )] ، ق ₁₂ = [-ج ₁₂ ] / [(ج ₁₁- ج ₁₂ ) (ج ₁₁ + 2 ج ₁₂ )] و ق ₄₄ = 1 / ج ₄₄ .

زوايا أويلر * - زوايا تصف دوران جسم صلب تمامًا في مساحة ثلاثية الأبعاد.

الصورة رقم 3



معامل يونغ من الماس الخماسي مرتفع للغاية ويتجاوز 1.5 تيرا باسكال لجميع الاتجاهات ( 3 أ ). من خلال معرفة معامل Young ومعامل المرونة الأكبر ، من الممكن حساب معامل القص ( 3b ) ، والذي تبين أيضًا أنه مرتفع جدًا (1 TPa) لجميع الاتجاهات.



ونتيجة لذلك ، يمكن أن يظهر الماس الخماسي صلابة شديدة بالنسبة للتشوهات الهيكلية متباينة الخواص. تتطلب حقيقة أن معامل يونغ ومعامل القص أعلى من معاملات التآزر الكربونية الصعبة والسوبر الأخرى (الجدول أعلاه) تتطلب أيضًا اهتمامًا خاصًا.



تشير هذه القيم العالية للوحدات الموصوفة أعلاه إلى أن الماس الخماسي يجب أن يكون له نسبة Poisson سلبية. تم تأكيد هذا البيان من خلال الحسابات التي تظهر نسبة Poisson في النطاق من -0.20 إلى -0.28 ، اعتمادًا على اتجاهات الشبكة ( 3c ). تؤدي هذه المؤشرات الفريدة إلى حقيقة أن سرعة الصوت في الماس الخماسي ستكون أيضًا عالية جدًا (28700 م / ث مقابل 12000-18350 م / ث للماس العادي).





الصورة رقم 4



يوضح الرسم البياني أعلاه الهيكل والكثافة الإلكترونيين لحالات الماس الخماسي ، وهو شبه موصل مع فجوة نطاق غير مباشرة تبلغ 2.52 فولت. يقع نطاقي التكافؤ والتوصيل عند النقطتين L و X على التوالي. يحتوي أعلى فرع من نطاق التكافؤ وأقل فرع من نطاق التوصيل على تشتت كبير (1 eV أو أكثر).



لذلك ، من المتوقع أن يكون للماس الخماسي كتل فعالة صغيرة عند حواف العصابات: كتل الإلكترونات المحسوبة عند النقطة X هي 0.98 و 0.67 (أقل من الماس) على طول الاتجاهات إلى النقطتين Γ و W ، على التوالي. لكن الموقف فيما يتعلق بحافة نطاق التكافؤ هو عكس ذلك: كتل الثقوب المحسوبة عند النقطة L هي 1.59 و 0.76 (أكبر من الماس) على طول الاتجاهات إلى النقطتين W و Γ ، على التوالي.



تشير الكتلة الحاملة المعتدلة والكثافة العالية للحالات عند حواف النطاق إلى أن الماس الخماسي يمكن أن يكون له قابلية معتدلة للحركة لكل من الإلكترون والثقب. تظهر علاقة التشتت وكثافة الحالة أن الماس الخماسي له هيكل إلكتروني حجمي ثلاثي الأبعاد ، مثل هيكل الماس ، مما يعكس شبكته التساهمية ثلاثية الأبعاد ذات التماثل العالي.





Image №5 من



أجل فهم أفضل للبنية الإلكترونية للماس الخماسي ، أجرى العلماء دراسة للوظيفة الموجية لأعلى فرع وأقل فرع من الماس الخماسي في نقاط معينة من التماثل.



ويتم توزيع المهام موجة من فرع أعلى من عصابة التكافؤ في L نقطة وΓ على ذرات C3، التي لها طابع π السندات، نظرا ليرة سورية من ²-تهجين. يتم توزيع وظيفة الموجة للفرع السفلي من نطاق التوصيل عند النقطتين Γ و X أيضًا على ذرات C3 مع طبيعة ib المضادة للمضادات الحيوية. لاحظ العلماء أن كلاً من حالة التكافؤ وحالة التوصيل ليست حالات pure نقية ، ولكنها حالات مهجنة تحتوي على كمية صغيرة من المكون σ. وهذا يعني أن الحالات الإلكترونية القريبة من حواف النطاق وحولها تعتبر حالات إلكترونية dim لأبعاد sp ² C ، والتي تبعد حوالي 2.6 Å عن المناطق الثماني المجاورة لها.



للحصول على معرفة أكثر تفصيلاً بالفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصيك بالنظر في تقرير العلماء .

الخاتمة

في هذه الدراسة ، قدم العلماء النظرية القائلة بأنه من الممكن إنشاء بنية كربون ذات خصائص أفضل من الماس. وأكدت الحسابات التي أجريت خلال الدراسة هذا التخمين.



من خلال البلمرة المشتركة لسبيرو [2.4] هيبتان 4.6 ديين (C ₇ H ₈ ) و [5.5.5.5] - ترين-ترين مع تناظر Fm¯3m ، يمكن تصنيع شبكة خماسية تساهمية ثلاثية الأبعاد لذرات sp ² و sp ^{3 من} الكربون . أطلق العلماء على إنشاءهم ماسة خماسية.



تتفوق معظم الخواص الميكانيكية للماس الخماسي على تلك الخاصة بالماس العادي المعروف لنا أو غيره من خواص الكربون الصلب. الغريب أن الماس الخماسي أصعب من الماس ، لكن كثافته تشبه كثافة الجرافيت.



في المستقبل ، يعتزم العلماء ترجمة النظرية إلى ممارسة. ولكن حتى الآن ، يوضح عملهم بوضوح أن إمكانيات العلم الحديث لا حصر لها حقًا ، إذا كنت ، بالطبع ، تولي الاهتمام الواجب بالتفاصيل ، وتذكر كل الفروق الدقيقة في قوانين الطبيعة ولا تخاف من التجربة.







شكرا لاهتمامكم ، ابقوا فضوليين واستمتعوا بعطلة نهاية أسبوع رائعة! :)

القليل من الدعاية

أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد مشاهدة محتوى أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية للأصدقاء ، VPS السحابي للمطورين من 4.99 دولارًا ، وهو نظير فريد لخوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 نوى) 10 جيجابايت DDR4 480 جيجابايت SSD 1 جيجابت في الثانية من $ 19 أو كيفية تقسيم الخادم بشكل صحيح؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وذاكرة DDR4 تصل إلى 40 جيجابايت).



Dell R730xd أرخص مرتين في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV من 199 دولارًا في هولندا!Dell R420 - 2x E5-2430 بسرعة 2.2 جيجاهرتز 6C وسعة 128 جيجابايت DDR3 2x960 جيجابايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - بدءًا من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل بنس واحد؟