Интернациональная группа кристаллографов, в которую входит наш соотечественник, выпускник МГУ Артём Оганов (нашим читателям мы уже рассказывали о некоторых достижениях Артема), предсказала существование сверхплотных аллотропов углерода.

Аллотропическими модификациями химического элемента называют образуемые им простые вещества, различающиеся по строению и свойствам. В группу наиболее известных аллотропов углерода входят, к примеру, алмаз, графит, графен, нанотрубки и фуллерены. Графен считается самым плотным «двумерным» материалом, а плотность упаковки атомов (число атомов, находящихся в единице объёма) в алмазе устанавливает рекорд для трёхмерных структур.

Выполнив расчёты из первых принципов, учёные, однако, обнаружили сразу три модификации углерода, которые должны существенно — более чем на 3% — превосходить алмаз по плотности упаковки атомов. Новые метастабильные аллотропы были обозначены как hP3, tI12 и tP12. Первые две формы аналогичны модификациям SiO₂ (β-кварцу и кититу), а tP12 напоминает одну из модификаций SiS₂.

Вычисления показывают, что аллотроп hP3 в нормальных условиях должен быть полупроводником с запрещённой зоной шириной в 3,0 эВ, а tI12 и tP12 — диэлектриками с гораздо более широкими запрещёнными зонами (5,5 и 7,3 эВ). Последнее значение стало самым высоким из всех, когда-либо предсказанных или измеренных для модификаций углерода.

Можно также отметить, что найденные аллотропы имеют чрезвычайно большие показатели преломления и сравнимый с алмазным (или несколько больший) модуль всестороннего сжатия, который характеризует давление, необходимое для уменьшения занимаемого материалом объёма. Расчётная твёрдость по Виккерсу равна 87,6 ГПа в случае hP3, 87,2 ГПа (tI12) и 88,3 ГПа (tP12). Если абсолютно аналогичную теоретическую модель применить для оценки свойств алмаза, твёрдость получится чуть более высокой — 94,3 ГПа.

По мнению авторов, новые формы углерода можно получить путём ударного сжатия менее плотных модификаций.

Qiang Zhu, Artem R. Oganov, Miguel A. Salvadó, Pilar Pertierra and Andriy O. Lyakhov Denser than diamond: Ab initio search for superdense carbon allotropes. – Phys. Rev. B 83. – 2011. – 193410 [4 pages]; DOI: 10.1103/PhysRevB.83.193410.