Сотрудники Международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ) Политеха совместно с учеными из Северо-Западного политехнического университета (NWPU, Китай) сгенерировали низкоэнергетические аллотропы углерода, т.е. вещества, имеющие тот же состав, что и известные аллотропы, такие как графит или алмаз, но отличающиеся от них строением и свойствами.

Поиск новых аллотропов углерода является мировым трендом, так как они могут стать новыми материалами с множеством полезных свойств, в первую очередь, с исключительно высокой твердостью и износостойкостью. Результаты этих исследований опубликованы в журнале npj Computational Materials – престижном научном издании в области теоретического материаловедения, издающимся Nature Publishing Group.

Вариантов атомных конфигураций бесконечно много, а топологический подход, который реализован сотрудниками МНИЦТМ в программном комплексе ToposPro, позволяет выбирать из них только те, которые имеют нужные свойства. Это помогло ученым обнаружить 224 неизвестных ранее аллотропа углерода с энергией кристаллической решетки, близкой к энергии алмаза.

Авторы рассчитали механические свойства сгенерированных аллотропов и нашли простые зависимости между плотностью аллотропа и его важнейшими механическими свойствами, такими как модули объемного сжатия и сдвига, которые определяют твердость вещества. В результате был найден аллотроп, твердость которого выше, чем твердость алмаза (самого твердого известного сейчас материала).

Это действительно важная статья, – отмечает директор центра профессор Владислав Блатов. – Мы сделали еще один шаг в прогнозировании сверхтвердых материалов. Среди смоделированных нами аллотропов углерода есть и другие интересные структуры, и нам теперь важно понять, какие именно особенности их строения отвечают за высокую твердость вещества. Мы надеемся, что найденные закономерности позволят целенаправленно моделировать и другие материалы с экстремальными механическими свойствами. Исследования проводятся в рамках договора о сотрудничестве между Самарским политехом и Сианьским политехническим университетом и я рад, что наше сотрудничество приносит реальные плоды.