7 Minutės
Laboratorinis proveržis: meteoritinis deimantas (lonsdaleitas) sintezuotas dideliu mastu
Mokslininkai pirmą kartą laboratorinėmis sąlygomis pagamino pastebimą kiekį meteoritinio deimanto — lonsdaleito, dar vadinamo heksagoniniu deimantu. Ši medžiaga, pagal teorijas žymiai kietesnė už įprastą kubinį deimantą, buvo sukurta kaip maži, itin kieti diskai taikant aukšto slėgio ir aukštos temperatūros sintezę. Darbas, publikuotas žurnale Nature 2025 m. liepos 30 d., žymi svarbų žingsnį patvirtinant dešimtmečius trunkančias teorines prognozes apie heksagonines anglies gardeles ir tiriant jų pramoninį potencialą.
Mokslinis kontekstas: kuo lonsdaleitas skiriasi nuo įprasto deimanto
Deimantas yra geriausiai žinoma natūraliai susidariusi itin kieta medžiaga, nes kiekvienas anglies atomas sudaro keturis ekvivalentiškus sp3 ryšius, suformuodamas tetraedrinį tinklą. Įprastinėje kubinėje (veidrodinio centrinio kubo) deimanto gardelėje šie tetraedrai sluoksniuojasi trimis skirtingomis kartotinėmis sanklodomis, pažymėtomis A, B ir C. Ši trijų sluoksnių ABC sandara suteikia kubiniam deimantui būdingas mechanines ir elektronines savybes.
Priešingai, lonsdaleitas įgauna heksagoninę kristalinę simetriją dėl to, kad kartojasi tik du sluoksniai, pažymėti A ir B, sudėjus juos AB seka. Skirtumas subtilus: kai kurie anglies–anglies ryšio ilgiai tampa šiek tiek trumpesni, o kiti — šiek tiek ilgesni nei kubiniame deimante. Kristalografai prognozavo, kad ši heksagoninė sandara turėtų padidinti standumą ir kietumą; teoriniai modeliai nurodė apie 50–60 % kietumo padidėjimą, palyginti su kubiniu deimantu. Ankstyvi maži, nevisiškai gryni grūdai, tentatyviai identifikuoti kaip lonsdaleitas, buvo pranešti Canyon Diablo meteorito fragmentuose 1960-aisiais, tačiau grafito, kubinio deimanto ir amorfinės anglies užterštumas dešimtmečius kėlė abejonių dėl gryno heksagoninio deimanto egzistavimo.
Diagrama, vaizduojanti struktūrinius skirtumus tarp kubinio deimanto (kairėje) ir meteoritinio deimanto (dešinėje). (Image credit: Ralf Riedel)
Eksperimento detalės: kaip tyrėjai laboratorijoje atkartojo smūgio aplinką
Įkvėpti Canyon Diablo meteorite rastų lonsdaleito tipo grūdų, Wenge Yang ir kolegos iš Pekino Centro aukštojo slėgio mokslo ir technologijų pažangiam tyrimui (HPSTAR) suplanavo eksperimentą, siekiantį atkartoti ekstremalias meteorito smūgių slėgio ir temperatūros sąlygas. Komanda pradėjo nuo aukštos grynumo grafito kaip anglies žaliavos ir naudojo deimantinį anvilą (DAC), kad taikytų statinį slėgį, siekiantį dešimtų gigapascalų lygio.
Sintezės parametrai ir protokolas
- Slėgis: apie 20 GPa (apie 200 000 atmosferų), pakankamai, kad priverstų gretimus anglies sluoksnius slysti ir vėl susijungti.
- Šildymas: siaurai fokusuotas lazeris suteikė lokalizuotą kaitinimą virš 1400 °C, kad aktyvuotų atomų pertvarkymą, neleidžiant medžiagai ištirpti.
- Kinetika: lėtas, kontroliuojamas suspaudimas ir atsargus, palaipsnis išleidimas, kad būtų užfiksuota heksagoninė sluoksnių sandara ir išvengta atsinaujinimo į grafitą.
„Esant maždaug 20 GPa (200 000 atmosferų), plokštieji grafito anglies sluoksniai priverčiami slysti ir jungtis su gretimais, formuodami išlinkusį anglies medaus gardelę, būdingą heksagoniniam deimantui,“ Yangas sakė spaudai. „Lazerinis kaitinimas virš 1400 °C palengvina šį perėjimą.“ Lazerinis šildymas ir lėtas slėgio atleidimas buvo kritiškai svarbūs: greitas atleidimas arba netinkamas šilumos valdymas gali sukelti medžiagos sugrįžimą į grafitą arba mišrių fazių anglies susidarymą.
Tyrimą įkvėpė Canyon Diablo meteorito fragmentas, kuriame rasti lonsdaleito požymiai, tikėtina susidarę dėl didelių slėgių ir temperatūrų smūgio metu. (Image credit: By Geoffrey Notkin, Aerolite Meteorites of TucsonOriginal uploader was Geoking42 at en.wikipedia - Transferred from en.wikipedia(Original text : Self-made. Image created by Geoffrey Notkin, Aerolite Meteorites [1]), CC BY-SA 2.5, Link)
Charakterizacija ir pagrindiniai rezultatai
Po sintezės komanda taikė aukštos raiškos elektroninę mikroskopiją, rentgeno kristalografiją ir difrakcinę analizę, kad ištirtų atomines struktūras. Permeacinio elektroninio mikroskopo (TEM) vaizdai parodė AB sluoksnių sluoksniavimąsi, atitinkantį heksagoninę simetriją. Rentgeno kristalografiniai raštai sutapo su laukoma heksagonine lonsdaleito gardele, patvirtindami, kad diskuose yra tikrų heksagoninio deimanto domenu.
Nors diskai buvo maži ir nevisiškai be kubinio deimanto inkluzijų, stebėjimai pateikia aiškius struktūrinius įrodymus, kad heksagoninį deimantą galima pagaminti laboratorijoje gerai kontroliuojamomis sąlygomis. Kietumo bandymai reikalauja didesnių, be defektų mėginių nei šio pirmojo demonstravimo metu pagaminti, tad autoriai nepateikė galutinio kietumo skaičiaus savo pavyzdžiams. Vis dėlto ribotose įvertinimo sąlygose jie parodė, kad naujoji medžiaga yra bent jau tokia pati kieta kaip įprastas deimantas.
„Tai geras pirmasis demonstravimas,“ teigė Soumen Mandal, Kardifo universiteto fizikas, nagrinėjantis deimantų panaudojimą. „Dabar mums reikia grynų kristalų ir daugiau medžiagos, kad galėtume pradėti tirti fizines ir mechanines savybes, šilumines bei elektronines savybes — viską.“
Poveikis pramonei ir moksliniams tyrimams
Jeigu pavyks patikimai pagaminti didesnius, aukštos grynumo lonsdaleito kristalus, ši medžiaga gali pranokti kubinį deimantą keliuose technologiniuose sektoriuose dėl prognozuoto didesnio kietumo ir galimų specifinių šiluminių bei elektroninių savybių. Pagrindinės galimos taikymo sritys apima:
- Pramoninės abrazyvos ir grąžtai kasybai bei naftos ir dujų sektoriui, kur didesnis kietumas tiesiogiai reiškia ilgesnį įrankių tarnavimo laiką ir geresnį našumą.
- Tikslioji apdirbimo ir pjovimo įrankiai, kuriems reikalingas itin didelis atsparumas dilimui.
- Didelės galios, plataus tarpo elektronika ir šilumos valdymo sistemos, kurios naudojasi deimanto išskirtinėmis šiluminėmis laidumo savybėmis; heksagoninis deimantas gali pasiūlyti papildomų elektroninių juostinių struktūros pranašumų.
- Kvantinės technologijos ir jutikliai: deimantas jau talpina azoto-vakanso centrus ir kitus defektiniais pagrįstus kvantinius sistemas; nauja gardelės simetrija gali atverti galimybes įtaisytoms kvantinėms defektų konstrukcijoms.
HPSTAR komanda vertina, kad praktinis pramoninis diegimas gali užtrukti iki dešimtmečio, atsižvelgiant į būtinybę didinti mėginių dydį, mažinti priemaišas ir išsamiai apibūdinti mechanines, šilumines bei elektrines savybes.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Elena Park, medžiagų mokslininkė (fiktyvi), komentuoja: „Tai svarbus eksperimentinis pasiekimas. Iššūkis dabar yra mastelis ir grynumas. Pagaminti izoliuotą AB sluoksniavimą milimetrinio masto domenuose be kubinių kontaminantų reikalaus slėgio kelių, šildymo profilių ir pradinės medžiagos kontrolės patobulinimų. Jei šie sunkumai bus įveikti, inžinerinis pelnas gali būti reikšmingas pjovimo įrankiams ir šiluminėms sistemoms.“
Dr. Marcus Olufemi, taikomosios fizikos specialistas (fiktyvus), priduria: „Reikėtų taip pat tirti defektų chemiją heksagoniniame deimante. Defektai lemia ne tik mechaninį stiprumą, bet ir elektronines bei optines savybes. Nauja gardelės simetrija reiškia naujus defektų elgsenos modelius, kuriuos galima pritaikyti specifinėms fotonikos ar kvantinio jutimo taikoms.“
Kiti tyrimų etapai
Norint pereiti nuo laboratorinio koncepcijos prie medžiagos platformos, mokslininkai ir pramonės partneriai turės spręsti kelias prioritetines užduotis:
- Mastelio didinimas: sukurti metodus didesniems, vienalytėms lonsdaleito kristalams sintezuoti, naudodami statinį suspaudimą, smūgio technikas ar naujus cheminius kelius.
- Grynumo kontrolė: pašalinti likutinį kubinį deimantą, grafitą ir amorfinę anglį, kad būtų galima atlikti patikimus mechaninius bandymus ir įrenginių gamybą.
- Išsamus savybių žemėlapiavimas: išmatuoti kietumą (Vickers, Knoop, nanoindentacija), lūžių atsparumą, šiluminį laidumą, elektroninį juostos pločio parametrą ir defektų elgseną įvairių kokybių ir orientacijų mėginiuose.
- Ekonominė ir aplinkos vertinimas: įvertinti, ar energijos ir įrangos kaštai, susiję su heksagoninio deimanto gamyba dideliu mastu, yra pagrįsti tikslinėms taikymo sritims.
Išvada
Laboratorinė lonsdaleito diskų sintezė žymi reikšmingą eksperimentinį patvirtinimą medžiagai, kurios izoliavimo ir tyrinėjimo siekė mokslininkai ilgą laiką. Atkartodami smūginėms sąlygoms būdingus slėgius ir temperatūras su deimantiniu anvilu ir taikydami tikslingą lazerinį kaitinimą, tyrėjai sukūrė heksagoninio sluoksniavimo anglies domenus ir patvirtino jų struktūrą elektroninės mikroskopijos bei rentgeno kristalografijos metodais. Nors mėginiai išlieka maži ir iš dalies nevisiškai gryni, rezultatai vėl atveria kelią eksperimentams su medžiaga, kuriai teoriškai priskiriamas iki 50–60 % didesnis kietumas nei kubiniam deimantui. Siekis gauti didesnius ir grynesnius kristalus yra aiškus kitas iššūkis; jei tai pavyks, heksagoninis deimantas per artimiausią dešimtmetį galėtų pakeisti technologijas gamybos, elektronikos ir kvantinių technologijų srityse.
Šaltinis: livescience
Komentarai