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