През ноември 2020 г. беше публикувана статия, в която се съобщава за синтеза на a нанокристален диамант и лонсдалеит при стайна температура - нещо, което до днес се смяташе за невъзможно да бъде направено.

Синтезът е проведен под налягане от 80GPa от прекурсор с некристална въглеродна проба. Това е било възможно само при високи налягания и напрежение на срязване, като и двете са "важни за насърчаване на фазообразуването, тъй като могат да помогнат за преодоляване на кинетичните бариери", според статията.

Резултатите от изследването се основават на използването на много разпространена техника за електронна микроскопия, която се използва в кристалографията, която е експериментална област, изучаваща подредбата на атомите в кристални твърди тела, в случая на настоящата статия - диамант и лонсдейлит.

Диамантът, малкото (или не) и скъпоценно парче блестяща скала, е не само скъпо бижу, но и изключително важен материал поради свойствата си, които му позволяват да се използва в нормални и екстремни условия.

Някои полезни свойства са изключителна твърдост, висока топлопроводимост, както и възможност за използване в биомедицински приложения и др.

Лонсдейлитът е диамантоподобен материал с малки разлики в кристалната структура в сравнение с диаманта, докато диамантът има кубична кристална структура с тетраедрично свързан въглерод, лонсдейлитът има хексагонална кристална структура, по-рядко срещана форма на пренареждане.

В повечето изследвания за синтеза на диаманти се посочва необходимостта от две форми на възбуждане, за да се преодолее високата кинетична бариера на фазовите промени в материала.

За синтеза на диамант и лонсдалит в лабораторията обикновено се използват високо налягане и повишена температура.

Днес учените разполагат с диаграма, която показва физическите състояния на даден материал в зависимост от температурата и налягането, наречена фазова диаграма. Много известни и полезен справочен инструмент за учените, за да разберат каква температура и налягане са необходими за достигане на определено състояние - твърдо, течно или газообразно. При атомите на въглерода графитът и диамантът са два примера за твърди състояния.

Ако разгледате въглеродна диаграма, диамантеното състояние може да бъде постигнато при стайна температура над налягане от 2GPa, но в действителност трябва да се вземат предвид други фактори - фактори, които могат да доведат до огромна разлика в крайния резултат. Един от тези фактори, споменат в статията, е напрежение на срязване.

Напрежението на срязване е познато като процес, при който успоредни слоеве се приплъзват един през друг. Много прост пример за това е, когато съберете ръцете си и започнете да ги приплъзвате една върху друга - например когато ви е студено и искате да затоплите ръцете си - това движение създава напрежение на срязване в ръцете или в използвания материал.

Напрежението при срязване може да стимулира фазовата промяна на материалите. Без да се взема предвид температурата, напрежението на срязване се оказва важен компонент за това как "диамантът може да се образува в много по-широк диапазон от среди, както земни, така и извънземни, отколкото се смяташе досега", но са необходими още много изследвания, за да се потвърди ефектът на напрежението на срязване. Образуването на лонсдалейт също е свързано със срязващия стрес. 

Опитвайки се да произведат диамант и лонсдалит при стайна температура, учените подлагат образци от стъклен въглерод на компресия от 80×109Па - това е много голям натиск, много, много по-голям от този, който сте изпитвали, когато сте се явявали на редовен изпит в колежа.

Това число се равнява на почти 800 хиляди атмосфери - ние живеем само в една атмосфера.

Учените анализираха резултатите от пробите чрез три различни вида техники за електронна микроскопия. Раманова спектроскопия, рентгенова дифракция и ТЕМ (трансмисионна електронна микроскопия). Нека разгледаме всяка от тях.

Сайтът Раманова спектроскопия е техника, която дава структурен отпечатък на определен материал, като използва вибрационни режими на молекулите.

Материалът на пробата взаимодейства с монохроматична светлина - обикновено лазер - като поглъща и излъчва фотони по начин на нееластично разсейване, с други думи, молекулярната вибрация на пробата поглъща определен брой фотони, като погълнатото количество е различно от излъченото.

Тази разлика се открива и крайният резултат позволява на учените да получат структурна информация за пробата.

Рентгенова дифракция техниката включва използването на електронен лъч вместо монохроматична светлина. Поради моделите на подреждане на атомите в кристалната структура, когато рентгеновият лъч достигне до образеца, той се разсейва в много различни ъгли и посоки.

Учените могат да измерват тези ъгли и интензитета на дифракционния лъч, като трансформират данните в триизмерна картина с позициите на атомите в кристала.

Сайтът ТЕМ, трансмисионна електронна микроскопия е микроскопска техника, която използва сноп електрони вместо светлина, както и рентгенова дифракция.

Пробата се излага на лъча, който преминава през нея и създава изображение с помощта на флуоресцентен детектор.

Тази техника изисква подготовка на пробата върху решетка и се определя като избягваща техника поради загубата на пробата, която се унищожава по време на анализа.

След опита за получаване на диамант изследователите откриват чрез Раман, че пробите се състоят само от графитен материал.

Въпреки това рентгеновите дифракционни модели показват различен резултат, демонстрирайки наличието на лонсдейлит (12%), диамант (3%) и графит (85%).

Тези различни резултати се обясняват с разликите във всяка техника. Рамановата техника може да анализира само повърхността на материалите, докато рентгеновата дифракция може да обхване цялата дебелина на образеца.

Като цяло този резултат доказва, че образуването на твърди материали като диаманта е резултат не само от налягането и температурата.

И други фактори могат да предизвикат образуване на материал, като например напрежението на срязване или фактори, които науката все още не познава.

Може би в бъдеще, когато тази техника на компресиране се утвърди по-добре и поевтини производството на диаманти, науката ще може да се възползва напълно от предимствата на материала. 

_____

Вече ли сте Mind the Graph потребител? Ако не го направите, можете да започнете точно сега! Можете също така да кликнете върху тук за да видите нашата галерия с научни илюстрации, не е необходимо да започвате проекта си от нулата! 

Свързани статии
абонамент за лого

Абонирайте се за нашия бюлетин

Ексклузивно висококачествено съдържание за ефективни визуални
комуникация в областта на науката.

- Ексклузивно ръководство
- Съвети за дизайн
- Научни новини и тенденции
- Уроци и шаблони