Вчені здійснили проривне досягнення, створивши перший значний за розміром метеоритний алмаз, відомий як лонсдейліт або гексагональний алмаз. Цей надтвердий матеріал, за прогнозами, має бути ще міцнішим за звичайні алмази, що зустрічаються на Землі. Використовуючи методику високого тиску та високих температур, дослідники виготовили крихітні диски цього надтвердого алмазу, що в перспективі може замінити традиційні алмази у таких застосуваннях, як бурові інструменти та електроніка. Про це вчені повідомили 30 липня у журналі “Nature”.
Алмази, як відомо, є найтвердішою природною речовиною у світі. У їхній нескінченно повторюваній молекулярній структурі кожен атом вуглецю утворює чотири рівні зв’язки з іншими атомами вуглецю, розділені кутом 109,5 градусів, створюючи безкінечний масив ідеальних тетраедрів. При погляді збоку ця структура виглядає як три повторювані шари атомів вуглецю (позначені A, B і C), що надає алмазу так звану гранецентровану кубічну кристалічну структуру.
Народження Гексагонального Діаманта: Історія та Теорія
Проте ще у 1960-х роках було запропоновано дещо іншу структуру алмазу. Пізніше невеликі, нечисті кристали цієї структури були виявлені у метеориті Каньйон Діабло, що впав у пустелі Арізони приблизно 50 тисяч років тому. Метеорит Каньйон Діабло – це великий залізний метеорит, що є фрагментом астероїда, який створив відомий кратер Баррінджер в Арізоні. Його знахідка мала значний вплив на розвиток планетарної геології та метеоритики.
На відміну від кубічного алмазу, ця форма лонсдейліту містить дві різні довжини зв’язків — одна трохи довша, ніж у звичайного алмазу, а інша трохи коротша. Атоми вуглецю все ще організовані в нескінченні площини тетраедрів. Але цього разу, якщо дивитися збоку, структура містить лише два повторювані шари (позначені A і B). Це невелике зміщення вуглецевих шарів надає метеоритному алмазу гексагональну структуру, що, за теорією вчених, має збільшити твердість матеріалу на 58%.
Проте створення достатньо великих зразків цієї гексагональної структури для аналізу було надзвичайно складним завданням. Більше того, наявність інших домішок вуглецю у вихідному зразку метеорита, включаючи графіт, кубічний алмаз та аморфний вуглець, змусила багатьох сумніватися, чи існує гексагональний алмаз взагалі. Графіт, до речі, є ще однією поширеною алотропною формою вуглецю, відомою своєю м’якістю та електропровідністю, і він є відправною точкою для виробництва синтетичних алмазів.
Від Метеорита до Лабораторії: Шлях Створення
Натхненні фрагментом метеорита Каньйон Діабло, Веньге Янг та його колеги з Центру передових досліджень науки і технологій високого тиску у Пекіні прагнули відтворити інтенсивні умови зіткнення з Землею в лабораторних умовах. Пекін, столиця Китайської Народної Республіки, є одним із провідних світових центрів наукових досліджень та розробок.
Вони розробили синтез за допомогою високого тиску та високих температур, використовуючи пристрій, відомий як алмазне ковадло. Це обладнання стискає зразок між двома плоскими поверхнями, виготовленими з алмазу, дозволяючи досягти надзвичайно високих тисків. Починаючи з очищеного графіту, вони повільно та обережно стискали матеріал, фіксуючи зміщені атоми за допомогою цілеспрямованого нагрівання лазером.
“При тиску близько 20 ГПа (200 000 атмосфер) плоскі вуглецеві шари графіту змушені ковзати та зв’язуватися з сусідніми шарами, утворюючи вигнуті вуглецеві стільники, характерні для гексагонального алмазу”, — пояснив Янг у електронному листі. “Лазерне нагрівання вище 1400 °C (2552 за Фаренгейтом) сприяє цьому переходу”. Після того, як ці викривлені тетраедри гексагонального алмазу були сформовані, команда повільно знизила тиск, щоб новий кристал не перетворився назад на графіт.
Підтвердження та Майбутні Перспективи
Далі команда застосувала потужні методи для візуалізації кристалічної структури та підтвердження свого досягнення. Хоча кристал, що мав форму диска, залишався дещо нечистим, містячи випадкові фрагменти кубічного алмазу, зображення електронного мікроскопа чітко показали його шари вуглецю AB, а рентгенівська кристалографія виявила гексагональну структуру.
“Це добрий перший показник”, — прокоментував Сумен Мандал, фізик, який спеціалізується на застосуванні алмазів в Університеті Кардіффа у Великій Британії, який не брав участі у дослідженні. Кардіфф є столицею Уельсу та важливим науково-дослідним центром. “Тепер нам потрібні чисті кристали та більше матеріалу, щоб розпочати дослідження його фізичних, механічних, термічних та електричних властивостей”.
Тестування твердості зазвичай вимагає більших зразків, ніж ті, що були отримані командою Янга. Однак вони підтвердили, що новий матеріал був щонайменше таким же міцним, як і звичайні алмази. Янг сподівається, що наступні експерименти з більшими та чистішими кристалами невдовзі нададуть конкретну відповідь щодо його підвищеної твердості.
Команда прагне, щоб гексагональний алмаз почав замінювати традиційний алмаз у промислових технологіях, таких як прецизійне машинобудування, високопродуктивна електроніка, квантові технології та системи теплового керування. Хоча такі застосування можуть бути ще віддалені на 10 років. “Дивлячись у майбутнє, наша мета — виробляти більші, високоякісні зразки гексагонального алмазу, придатні для реальних застосувань”, — зазначив Янг. “Ці зусилля допоможуть адаптувати властивості гексагонального алмазу для конкретних галузей та прокладуть шлях до його промислового впровадження”.
