超硬材料可以切割，钻孔和抛光其他物体。它们还具有创造防刮涂层的潜力，可以帮助保护昂贵的设备免受损坏。
现在，科学正在为具有这些诱人品质的新材料的开发打开大门。
研究人员已经使用计算技术来识别43种以前未知的碳被认为是稳定和超硬的 - 包括一些预测比钻石略硬或几乎硬的碳。每种新的碳种类由在晶格中以不同图案排列的碳原子组成。
这项研究发表在9月3日的npj计算材料杂志上，它结合了晶体结构的计算预测和机器学习，以寻找新材料。这项工作是理论研究，这意味着科学家已经预测了新的碳结构，但还没有创造出它们。
“钻石现在是市场上最硬的材料，但它们非常昂贵，”布法罗化学家Eva Zurek大学说。 “我有同事在实验室里进行高压实验，在钻石之间挤压材料，他们抱怨钻石破碎时有多贵。
“我们希望找到比钻石更硬的东西。如果你能找到其他硬质材料，可能会让它们变得更便宜。它们也可能具有钻石所没有的有用特性。也许它们会以不同的方式与热量或例如，电力。“
Uure艺术与科学学院化学教授Zurek博士构思了这项研究，并与杜克大学机械工程和材料科学教授Stefano Curtarolo博士共同领导了该项目。
寻求硬质材料
硬度与材料抵抗变形的能力有关。正如Zurek所解释的那样，它意味着“如果你试图用锋利的尖端压痕材料，就不会形成一个孔，或者孔会非常小。”
科学家认为，如果通过一项名为维氏硬度试验的实验测得硬度值超过40千兆帕，则该物质是超硬的。
预计所有研究的43种新碳结构都符合该阈值。估计三个钻石的维氏硬度超过钻石，但只有一点点。 Zurek还提醒说，计算中存在一些不确定性。
科学家发现的最坚硬的结构倾向于在其晶格中包含钻石和lonsdaleite碎片 - 也称为六角形钻石。除了43种新型碳之外，该研究还新近预测，其他团队过去所描述的一些碳结构将是超硬的。
加快发现超硬材料
新论文中使用的技术可用于识别其他超硬材料，包括含有碳以外元素的材料。
“很少有超硬材料是已知的，所以有兴趣找到新材料，”Zurek说。 “我们对超硬材料了解的一件事是它们需要具有强大的粘合力。碳 - 碳键很强，这就是我们研究碳的原因。其他通常在超硬材料中的元素来自周期的同一侧。表，如硼和氮。“
为了进行这项研究，研究人员使用XulOpt，一种在Zurek实验室开发的用于晶体结构预测的开源进化算法，来生成碳的随机晶体结构。然后，该团队采用机器学习模型来预测这些碳物种的硬度。最有希望的坚硬和稳定的结构被XtalOpt用作“父母”来产生额外的新结构，等等。
使用自动流动（AFLOW）数据库训练用于估计硬度的机器学习模型，该数据库是具有已经计算的性质的巨大材料库。 Curtarolo的实验室负责AFLOW，之前在北卡罗来纳大学教堂山分校的Olexandr Isayev小组开发了机器学习模型。
“这是加速材料开发。它总是需要时间，但我们使用AFLOW和机器学习来大大加快这一过程，”Curtarolo说。 “算法学习，如果你已经很好地训练了模型，算法将以合理的精度预测材料的属性 - 在这种情况下，硬度。”
研究报告的共同作者，杜克大学机械工程和材料科学助理研究教授Cormac Toher博士说：“你可以使用计算技术预测出最好的材料并进行实验。”
新研究的第一和第二作者是UB博士研究生Patrick Avery和UB博士生Xiaoyu Wang，他们都在Zurek的实验室。 除了这些研究人员，Zurek，Curtarolo和Toher，该论文的共同作者还包括杜克大学的Corey Oses和Eric Gossett以及米兰大学的Davide Proserpio。
该研究由美国海军研究办公室资助，得到了米兰大学的额外支持，以及UB计算研究中心的计算支持。
npj计算材料 - 自然合作者期刊系列的一部分 - 是由Springer Nature与中国科学院上海硅酸盐研究所合作出版的自然研究期刊。
——文章发布于2019年9月9日
