|
Шестиугольный алмаз наконец-то создан в лаборатории
|
|
|
|
Впервые китайским исследователям удалось синтетическим путем получить почти чистый шестиугольный алмаз, что ознаменовало значительный прорыв в материаловедении. Издавна известные своей исключительной красотой и почти непревзойденной твердостью, алмазы ценятся как драгоценные камни для использования в ювелирных изделиях и более утилитарных областях применения в различных отраслях промышленности.
|
|
|
|
Однако не все алмазы созданы равными. Большинство природных и синтетических алмазов имеют кубическую кристаллическую структуру, хотя ученым давно известно о более редкой и потенциально более твердой разновидности, имеющей гексагональную форму. Хотя известно, что в природе они встречаются в редких условиях, перспектива искусственного создания этих уникальных алмазоподобных структур в лабораторных условиях остается спорной.
|
|
|
|
Теперь группа исследователей из университетов Цзилинь и Сунь Ятсена в Китае наконец-то создала синтетический гексагональный алмаз. Исследование, проведенное Лю Бинбином (Liu Bingbing) и Яо Мингуаном (Yao Mingguang) из Цзилиня в сотрудничестве с исследователем из Университета Сунь Ятсена Чжу Шэнцаем (Zhu Shengcai), знаменует собой крупное достижение в области материаловедения и идентифицирует уникальную структурную форму графита.
|
|
|
|
|
|
|
Редкая и загадочная кристаллическая структура
|
|
|
|
В прошлом алмазоподобная шестигранная форма углерода, известная как лонсдейлит, встречалась в природе крайне редко. Самое раннее известное открытие этого материала произошло во время исследований метеорита Каньон Диабло в 1967 году. Являясь аллотропом углерода (что обуславливает его шестиугольную форму), лонсдейлит иногда называют гексагональным алмазом, несмотря на то, что это технически неточно, поскольку “настоящие” алмазы имеют кубическую структуру.
|
|
|
|
Хотя и обычные алмазы, и их гексагональные аналоги состоят из углерода, гексагональная разновидность отличается от своих обычных кубических собратьев уникальной атомной структурой. Разница в первую очередь заключается в том, как атомы внутри каждого алмаза связаны друг с другом.
|
|
|
|
Кубические бриллианты имеют симметричную конфигурацию с повторяющейся решеткой. Такая конфигурация помогает придать драгоценным камням их очаровательный внешний вид, хотя это также является основным фактором их известной прочности. Учитывая шестигранную кристаллическую структуру лонсдейлита, уже давно существует теория, что эти уникальные углеродистые образования могут быть даже прочнее традиционных алмазов.
|
|
|
|
В прошлом воспроизвести экстремальные условия падения метеорита, которые приводят к естественному образованию лонсдейлита, в лабораторных условиях было практически невозможно. Некоторые ученые даже сомневались в том, что стабильность этой странной кристаллической структуры позволит создавать образцы искусственным путем, и отнесли существование синтетического лонсдейлита к области теории.
|
|
|
|
“Синтез [гексагонального алмаза] остается сложной задачей, и даже его существование остается спорным”, - написали исследователи в недавнем исследовании, подробно описывающем их работу.
|
|
Прорыв в синтезе: от графита к гексагональному алмазу
|
|
|
|
Все изменилось, когда исследовательская группа Bingbing начала свою работу, сначала нагрев образец сильно сжатого графита — того же типа углерода, который обычно используется в карандашных грифелях.
|
|
|
|
Команда говорит, что в результате получился “хорошо кристаллизованный, почти чистый” гексагональный алмаз, который “подходит как для объемных, так и для наноразмерных графитовых прекурсоров”.
|
|
|
|
Дополнительные эксперименты и теоретический анализ также показали, что постграфитовая фаза, как команда называет образец, после превращения в гексагональный алмаз (HD), “показывает, что образование постграфитовой фазы в сжатом графите и температурные градиенты способствуют росту HD”.
|
|
|
|
“Используя этот подход, получается высококонцентрированный HD-блок миллиметрового размера, содержащий сложенные друг на друга монокристаллические HD-нанослои”, - пишет команда в своей новой статье, подтверждая, что их метод успешно преобразовал графит в хорошо кристаллизованный гексагональный алмаз почти идеальной чистоты.
|
|
Исключительная твердость и стабильность при высоких температурах
|
|
|
|
Одним из самых замечательных открытий команды является исключительная твердость недавно синтезированного гексагонального алмаза, которая составила впечатляющие 155 гигапаскалей (ГПа).
|
|
|
|
Для сравнения, обычные кубические алмазы имеют то, что ученые называют показателем твердости по Виккерсу, составляющим от 70 до 150 ГПа. Это говорит о том, что гексагональные алмазы могут превосходить свои кубические аналоги по износостойкости и долговечности, подтверждая прошлые прогнозы о том, что гексагональные алмазы будут тверже, чем известные ранее самые твердые природные материалы.
|
|
|
|
Беспрецедентная твердость гексагонального алмаза делает его перспективным материалом для изготовления режущего инструмента и различных промышленных применений. Помимо своей твердости, гексагональный алмаз остается стабильным при температуре до 1100°C, демонстрируя свой потенциал в качестве материала нового поколения.
|
|
Новая эра в производстве материалов на основе алмазов?
|
|
|
|
Хотя синтетические алмазы уже много десятилетий производятся с использованием методов высокой температуры и высокого давления, а также методов химического осаждения из газовой фазы, ни один из них не достиг беспрецедентной прочности, которую демонстрирует синтетический лонсдейлит, созданный Бинбингом и его командой.
|
|
|
|
Теперь, когда было продемонстрировано, что стабильные синтетические гексагональные алмазы, по-видимому, можно производить массово, открытие команды может произвести революцию в материаловедении благодаря превосходной твердости и стабильности, которые могут предложить эти алмазоподобные структуры. Это также может помочь в производстве сверхпрочных покрытий и даже полупроводников нового поколения.
|
|
|
|
Помимо промышленного применения, успешное создание уникальных гексагональных алмазоподобных структур в лабораторных условиях позволяет по-новому взглянуть на поведение углеродных структур в экстремальных условиях. Результаты работы команды вносят значительный вклад в наше более широкое понимание планетарной геологии и материаловедения благодаря воспроизведению экстремальных условий, при которых такие вещества образуются в природе.
|
|
|
|
Команда признает, что гексагональные алмазы пока остаются не более чем лабораторной находкой. Однако эти удивительно прочные гексагональные структуры, вероятно, найдут свое место в разработке передовых технологий в ближайшие годы, что, по мнению команды, предоставит “возможности для изготовления и применения этого уникального материала”.
|
|
|
|
Источник
|
