Cверхтвердый углерод - то, что нужно миру сейчас по той причине, что стоимость бриллиантов слишком высока для лабораторных экспериментов под высоким давлением.
Супертвердые материалы ценятся, но их не всегда легко найти. Вот почему ученые поручили компании AI (не коммерческой исследовательской компании из Сан- Франциско, занимающейся, в основном, исследованиями искусственного интеллекта) создать их.
AI создали 43 потенциальных материала, которые могут быть сверхтвердыми. Теперь, все, что нужно сделать ученым, это проверить их на практике.
Супертвердые материалы высоко ценятся, по иронии судьбы, за их гибкость. Не с точки зрения того, что они гнутся, а с точки зрения того, что они могут быть использованы для построения. Например, нанесение покрытий, устойчивых к царапинам, может иметь любое количество применений. Поэтому поиск большего количества этих материалов является приоритетом для учёных. Команда из Университета Буффало использовала искусственный интеллект для выявления 43 форм углерода, которые раньше не были известны и которые можно считать стабильными и сверхтвердыми.
Эти 43 углеродные структуры все еще живут лишь в теории, что означает, что ученые разработали из формулу, но на самом деле еще не создали.
"Бриллианты сейчас являются самым твердым материалом, который доступен на рынке, но при этом очень дорогим", - говорится в заявлении для прессы хмика Евы Зурек для прессы в университете Буффало. "Мои коллеги, проводящие в лаборатории эксперименты под высоким давлением, сжимая материалы между бриллиантами, и они жалуются на то, как дорого стоят эти эксперименты, особенно когда бриллианты ломаются".
"Мы хотели бы найти что-то более сложное, чем бриллиант. Если бы можно было бы найти другие материалы, которые также являются твёрдым, то можно было бы сделать их дешевле. Они также могут обладать полезными качествами, которых нет у алмазов. Может быть, они будут как-то по-особому взаимодействовать, например, с теплом или электричеством".
Твердость материала определяется его способностью оставлять след от удара. Ева Зурек определяет измерение твердости как "если вы попытаетесь сделать отступ от материала с острым наконечником, отверстие не будет вовсе сделано, или же будет очень маленьким". Твердость измеряется с помощью так называемого твердомера Виккерса, который используется для измерения твердости материалов с 1925 года. Супертвердость определяется, набрал ли материал более 40 гигапаскалей, которые предназначены для измерения давления.
Несмотря на некоторую неопределенность в расчетах, ученые полагают, что все 43 из их гипотетических материалов наберут более 40 баллов по результатам испытаний по твердости по Виккерсу. Самая твердая из этих потенциальных структур содержит фрагменты алмаза и Лонсдалита, известные как гексагональный алмаз, внутри их кристаллической решетки.
"Известно очень небольшое количество сверхтвердых материалов, именно по этой причине нам интересно найти новые", - говорит Ева Зурек. "То, что мы знаем о сверхтвердых материалах - что они должны иметь прочные связи. Углерод-углеродные связи очень прочны, и именно по этой причине мы обратили внимание на углерод. Другие элементы, обычно содержащиеся в сверхтвердых материалах, - это бор и азот".
Для произвольной генерации углеродных кристаллических структур команда использовала открытый алгоритм XtalOpt, разработанный в лаборатории Евы Zurek, для прогнозирования кристаллической структуры. Затем другой алгоритм машинного обучения, на базе данных Automatic FLOW (AFLOW), содержащей большую библиотеку материалов, твердость которых уже была рассчитана, попытался угадать твердость структур, созданных XtalOpt.
"Это ускоренное развитие материала. На это всегда уходит время, но мы используем AFLOW и машинное обучение, чтобы максимально ускорить процесс", - говорит Стефано Куртароло, доктор философии, профессор машиностроения и материаловедения в Университете Дьюка, где работает AFLOW. "Алгоритмы изучают, и если модель хорошо обучена, алгоритм может спрогнозировать свойства материала - на данный момент твердость - с достаточной точностью", - говорится в заявлении Куртароло.
"Вы можете взять лучшие материалы, спрогнозированные с помощью компьютерных технологий, и сделать их экспериментально", - говорится в заявлении для печати соавтора исследования, доктора философии, доцента кафедры машиностроения и материаловедения Университета Дьюка Кормака Тоера.
Если же ни один из этих сверхтвердых материалов не сработает и не подтвердит свои свойства, ученые могут начать искать способы извлечения квадриллионов алмазов, захороненных на поверхности Земли.
