Ученые под руководством Вэнге Янга из Центра передовых исследований науки и технологий высокого давления в Пекине успешно создали первые значительные лабораторные образцы лонсдейлита. Это редкая гексагональная форма алмаза, которая теоретически на 58% тверже обычного кубического алмаза. Результаты исследования были опубликованы 30 июля в журнале Nature.
Для понимания прорыва необходимо разграничить структуры двух материалов. Обычный алмаз, самый твердый природный материал, имеет кубическую кристаллическую решетку. В ней каждый атом углерода связан с четырьмя соседними атомами связями одинаковой длины под углом 109,5 градусов, образуя идеальные тетраэдры. Эти слои атомов углерода повторяются в последовательности A, B, C, формируя гранецентрированную кубическую структуру.
Лонсдейлит, также известный как метеоритный или гексагональный алмаз, устроен иначе. Его атомы также организованы в тетраэдры, но они имеют две разные длины связи: одна немного длиннее, а другая короче, чем у обычного алмаза. Кристаллическая структура состоит всего из двух повторяющихся слоев, обозначенных как A и B. Именно эта гексагональная структура, согласно теоретическим расчетам, обеспечивает превосходство в твердости.
Теория о существовании гексагонального алмаза была впервые предложена в 1960-х годах. Подтверждение пришло с обнаружением небольших, загрязненных кристаллов в метеорите Каньон-Дьябло, который упал на территории современной Аризоны около 50 000 лет назад. Однако эти природные образцы были слишком малы и смешаны с графитом, кубическим алмазом и аморфным углеродом, что мешало их полноценному изучению.
Чтобы воссоздать условия, подобные удару метеорита, команда Вэнге Янга использовала метод синтеза при высоком давлении и температуре. В качестве исходного материала был взят очищенный графит. Его поместили в ячейку с алмазными наковальнями — устройством, которое сжимает образец между двумя алмазными поверхностями.
Графит был сжат до давления около 20 гигапаскалей (200 000 атмосфер), а затем точечно нагрет лазером до температуры свыше 1400 °C (2552 °F). Под таким воздействием плоские слои графита начали скользить и сцепляться, формируя «сморщенную углеродную сотовую структуру», характерную для гексагонального алмаза. Ключевым этапом стало медленное снятие давления, что позволило новой кристаллической структуре сохраниться, а не вернуться в состояние графита.
В результате эксперимента были получены небольшие диски лонсдейлита. Подлинность материала была подтверждена двумя методами. Снимки, сделанные с помощью электронного микроскопа, четко показали характерные углеродные слои A-B, а рентгеновская кристаллография выявила гексагональную кристаллическую структуру.
Несмотря на успех, полученные образцы оказались не совсем чистыми, содержа в себе случайные вкрапления кубического алмаза. Их размер был недостаточен для проведения стандартных тестов на твердость. Тем не менее, исследователи подтвердили, что материал по меньшей мере так же прочен, как и обычные алмазы.
Сумен Мандал, физик из Кардиффского университета в Великобритании, не принимавший участия в исследовании, назвал эту работу «хорошей первой демонстрацией». По его словам, теперь исследователям необходимо создать чистые кристаллы и увеличить объем получаемого материала. Это позволит изучить его физические, механические, термические и электрические свойства.
Сам Вэнге Янг так определил следующую цель: «Наша цель — производить более крупные и высококачественные образцы гексагонального алмаза, пригодные для реального применения».
Хотя до промышленного применения лонсдейлита, по оценкам, еще около 10 лет, потенциальные области его использования обширны. Команда надеется, что со временем гексагональный алмаз сможет заменить обычный в таких сферах, как прецизионное машиностроение, высокопроизводительная электроника, квантовые технологии и системы управления температурным режимом.
Изображение носит иллюстративный характер
Для понимания прорыва необходимо разграничить структуры двух материалов. Обычный алмаз, самый твердый природный материал, имеет кубическую кристаллическую решетку. В ней каждый атом углерода связан с четырьмя соседними атомами связями одинаковой длины под углом 109,5 градусов, образуя идеальные тетраэдры. Эти слои атомов углерода повторяются в последовательности A, B, C, формируя гранецентрированную кубическую структуру.
Лонсдейлит, также известный как метеоритный или гексагональный алмаз, устроен иначе. Его атомы также организованы в тетраэдры, но они имеют две разные длины связи: одна немного длиннее, а другая короче, чем у обычного алмаза. Кристаллическая структура состоит всего из двух повторяющихся слоев, обозначенных как A и B. Именно эта гексагональная структура, согласно теоретическим расчетам, обеспечивает превосходство в твердости.
Теория о существовании гексагонального алмаза была впервые предложена в 1960-х годах. Подтверждение пришло с обнаружением небольших, загрязненных кристаллов в метеорите Каньон-Дьябло, который упал на территории современной Аризоны около 50 000 лет назад. Однако эти природные образцы были слишком малы и смешаны с графитом, кубическим алмазом и аморфным углеродом, что мешало их полноценному изучению.
Чтобы воссоздать условия, подобные удару метеорита, команда Вэнге Янга использовала метод синтеза при высоком давлении и температуре. В качестве исходного материала был взят очищенный графит. Его поместили в ячейку с алмазными наковальнями — устройством, которое сжимает образец между двумя алмазными поверхностями.
Графит был сжат до давления около 20 гигапаскалей (200 000 атмосфер), а затем точечно нагрет лазером до температуры свыше 1400 °C (2552 °F). Под таким воздействием плоские слои графита начали скользить и сцепляться, формируя «сморщенную углеродную сотовую структуру», характерную для гексагонального алмаза. Ключевым этапом стало медленное снятие давления, что позволило новой кристаллической структуре сохраниться, а не вернуться в состояние графита.
В результате эксперимента были получены небольшие диски лонсдейлита. Подлинность материала была подтверждена двумя методами. Снимки, сделанные с помощью электронного микроскопа, четко показали характерные углеродные слои A-B, а рентгеновская кристаллография выявила гексагональную кристаллическую структуру.
Несмотря на успех, полученные образцы оказались не совсем чистыми, содержа в себе случайные вкрапления кубического алмаза. Их размер был недостаточен для проведения стандартных тестов на твердость. Тем не менее, исследователи подтвердили, что материал по меньшей мере так же прочен, как и обычные алмазы.
Сумен Мандал, физик из Кардиффского университета в Великобритании, не принимавший участия в исследовании, назвал эту работу «хорошей первой демонстрацией». По его словам, теперь исследователям необходимо создать чистые кристаллы и увеличить объем получаемого материала. Это позволит изучить его физические, механические, термические и электрические свойства.
Сам Вэнге Янг так определил следующую цель: «Наша цель — производить более крупные и высококачественные образцы гексагонального алмаза, пригодные для реального применения».
Хотя до промышленного применения лонсдейлита, по оценкам, еще около 10 лет, потенциальные области его использования обширны. Команда надеется, что со временем гексагональный алмаз сможет заменить обычный в таких сферах, как прецизионное машиностроение, высокопроизводительная электроника, квантовые технологии и системы управления температурным режимом.
