Если заменить в алмазной структуре атомы углерода на тетраэдры из атомов алюминия, получится новый материал с интересными физическими свойствами. Он хорошо проводит электричество и имеет плотность 0,61 грамма на кубический сантиметр, что даже меньше плотности воды. Необычную форму алюминия в результате компьютерного моделирования нашли российские физики из Южного федерального университета, статья опубликована в Journal of Physical Chemistry C.
За последнее время компьютерное моделирование новых двух- и трехмерных материалов с нестандартными структурами и потенциально интересными свойствами быстро выросло в важную область материаловедения. Например, авторы статьи ранее уже теоретически предсказывали существование аллотропных форм супер-тетраэдального бора (super-tetrahedral boron), основанных на алмазной решетке, и численно исследовали их.
В своей новой статье российские физики использовали результаты предыдущих работ и выполняли квантовохимические вычисления, основываясь на теории функционала плотности с периодическими граничными условиями.
За основу новой формы алюминия ученые взяли алмазную кристаллическую решетку и заменили в ней атомы углерода на тетраэдры, состоящие из атомов алюминия. В результате они получили устойчивую кристаллическую структуру. Длина ковалентной связи между атомами из одного тетраэдра составила около 2,61 ангстрема, в то время как расстояние между атомами из разных кластеров было чуть меньше и равнялось 2,57 ангстрема. Это объясняется тем, что связи между тетраэдрами являются обычными двухцентровыми двухэлектронными ковалентными связями (two-center two-electron bonds, 2c-2e), а внутренние связи, в которых на три атома приходится два связывающих электрона, немного слабее.
Получившийся материал обладает интересными физическими свойствами. Например, его плотность равна всего 0,61 грамма на кубический сантиметр, что намного меньше плотности воды и примерно равно плотности лития. Также новая форма алюминия очень пластична (коэффициент Пуассона ν = 0,385), а на основании анализа электронной структуры можно заключить, что материал имеет хорошую электрическую проводимость и является полупроводником. Также вещество должно хорошо поглощать свет в синей части видимого спектра (там больше мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости), то есть имеет красноватый оттенок.
По словам авторов, из-за своей низкой плотности, высокой пластичности и хорошей электрической проводимости новый материал может иметь много приложений в самых разных областях — от медицины до постройки космических кораблей. Тем не менее, пока что он существует только как математическая модель и о реальной практической пользе говорить рано. Однако работа ученых интересна уже тем, что в ней предлагается новый подход к разработке материалов.
В начале сентября мы писали о том, как с помощью компьютерного моделирования физики получили новую форму льда, которая тоже оказалась значительно легче воды. Тогда ученые также отталкивались от существующей кристаллической структуры, заменяя атомы кремния на атомы кислорода и добавляя недостающие атомы водорода.
Дмитрий Трунин