Descoberto um diamante 50% mais duro e leve como grafite

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/07/2020

Estrutura geométrica do pentadiamante. As esferas brancas e pretas indicam átomos de carbono com quatro e três átomos adjacentes, respectivamente.
[Imagem: Yasumaru Fujii et al. - Yasumaru Fujii]

Supercarbono

Parece não haver limites para o modo como os átomos de carbono podem se organizar, criando inclusive estruturas mais duras do que o diamante.

De fato, além de ser a base de toda a vida na Terra, o carbono sempre atraiu a atenção dos pesquisadores por produzir materiais com propriedades tão diferentes quanto um quebradiço carvão e o transparente e superduro diamante.

Pesquisadores japoneses descobriram agora que é possível usar os mesmos átomos de carbono - e tão somente eles - para produzir uma substância que, segundo seus cálculos, será quase 50% mais dura do que o próprio diamante.

Yasumaru Fujii e seus colegas da Universidade de Tsukuba já batizaram sua substância de "pentadiamante".

Hibridação

Os diamantes, que são formados inteiramente de átomos de carbono dispostos em uma treliça muito densa, são famosos por sua dureza, incomparável entre os materiais conhecidos. No entanto, o carbono pode formar muitas outras configurações estáveis, chamadas alótropos. Isso inclui o familiar grafite dos lápis, além de nanomateriais, como os nanotubos de carbono e o grafeno.

As propriedades mecânicas, incluindo a dureza, de um alótropo dependem principalmente da maneira como seus átomos se ligam. Nos diamantes comuns, cada átomo de carbono forma uma ligação covalente com quatro vizinhos. Os químicos chamam essa organização de hibridação sp3. Nos nanotubos e em alguns outros materiais, cada carbono forma três ligações, chamadas hibridação sp2.

O que Fujii descobriu é que o carbono pode se organizar de modo ainda mais denso do que no diamante ao formar uma estrutura híbrida, com hibridações sp2 e sp3. "Alótropos de carbono com átomos hibridados sp2 e sp3 apresentam maior diversidade morfológica devido ao grande número de combinações e arranjos em redes," disse ele.

Ferramentas e corte e estudo de planetas

Usando uma técnica conhecida como "Teoria do funcional da densidade", Fujii conseguiu não apenas simular o material em computador, como também calcular sua dureza. O módulo de Young - uma medida de dureza - do pentadiamante chegará a quase 1.700 GPa, em comparação com cerca de 1.200 GPa do diamante convencional.

"O pentadiamante não é apenas mais duro do que o diamante convencional, sua densidade é muito menor, igual à do grafite," acrescentou a professora Mina Maruyama.

"Este trabalho mostra o poder de projetar materiais ab initio. Além dos usos industriais de corte e perfuração, os pentadiamantes poderão ser usados no lugar de células de bigorna de diamante atualmente usadas em pesquisas científicas para recriar a pressão extrema dentro dos planetas," acrescentou o professor Susumu Okada.

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