Enkele mogelijkheden (calcium blauw, koolstof bruin)

In theorie kun je minstens zeven soorten calciumcarbide maken en in de praktijk minstens vier. Mits je temperatuur en druk voldoende opvoert, schrijft de Russische onderzoeker Artem Oganov in Nature Communications.

Tot nu toe stond de teller op twee: het klassieke CaC2 oftewel carbid, en het exotische CaC6, een zogeheten graphite intercalation compound (GIC) met supergeleidende eigenschappen.

Zo’n GIC ziet er op atomaire schaal eigenlijk uit als een netwerk van koolstof-koolstofbindingen met hier en daar een calciumion tussen de koolstof geklemd, en dat doet al vermoeden dat één calcium op zes koolstof niet de enige mogelijke mengverhouding is.

Met behulp van het USPEX-computeralgoritme heeft Oganov nu een aantal andere verhoudingen doorgerekend, om te zien of ze onder bepaalde condities stabiel zouden kunnen zijn. Hij vond er vijf: Ca5C2, Ca2C, Ca3C2, CaC en Ca2C3.

De voorspelde structuren zin daarbij behoorlijk exotisch, zoals je mocht verwachten. De vreemdste is die van Ca2C, dat een grafeenachtige 2D-metaalstructuur lijkt te hebben waarbij de calciumionen negatief (!) geladen zijn en voor de elektrische geleiding zorgen.

Opvallend is dat volgens de berekeningen Ca2C3 de énige vorm is die bij atmosferische druk (en alle drukken beneden 28 gigapascal) stabiel zou moeten zijn. Verrassend genoeg blijkt zelfs CaC2 beneden 21 GPa metastabiel. Hoe het kan dat je altijd CaC2 krijgt en geen Ca2C3 wanneer je carbid probeert te maken, kan Oganov nog niet goed verklaren.

Voor Ca5C2, Ca2C, Ca3C2, en CaC ligt de ondergrens voor stabiliteit respectievelijk bij 58, 14, 50 en 26 GPa.CaC6 lijkt helemaal nooit stabiel te worden.

Door calcium en koolstof samen te persen tussen twee diamanten, heeft Oganov twee vormen daadwerkelijk weten te maken. Met röntgenkristallografie, gevoed door een synchrotron, zag hij bij 10 GPa en 2.000 K de structuur van Ca2C3 ontstaan. Bij 22 GPa en een onbekende temperatuur, bereikt door er een laserstraal op te zetten, vormde zich Ca2C. De overige drie bleven buiten bereik omdat de proefopstelling niet meer dan 25 GPa kon halen.

Mocht het ooit lukken er meer van te synthetiseren en ze in metastabiele toestand te bewaren onder normale omstandigheden, dan vermoedt Oganov dat er wel toepassingen voor zijn te vinden. Met name Ca2C is op papier een interessante reductor.

bron: Moscow Institute of Physics and Technology