V listopadu 2020 byl publikován článek, který uvádí syntézu a nanokrystalického diamantu a lonsdaleitu při pokojové teplotě, což se doposud považovalo za nemožné.

Syntéza probíhala za tlaku 80 GPa z nekrystalického uhlíkového prekurzoru. To bylo možné pouze za vysokého tlaku a smykového napětí, přičemž obojí bylo "důležité pro podporu tvorby fází, protože může pomoci překonat kinetické bariéry", podle článku.

Výsledky studie spočívají v použití velmi běžné techniky elektronové mikroskopie, která se poměrně často používá v krystalografii, což je experimentální obor, který studuje uspořádání atomů v krystalických pevných látkách, v případě tohoto článku v diamantu a lonsdaleitu.

Diamant, malý (nebo ne) a vzácný kousek lesklé horniny, není jen drahým šperkem, ale také nesmírně důležitým materiálem díky svým vlastnostem, které umožňují jeho použití v běžných i extrémních prostředích.

Mezi jeho užitečné vlastnosti patří extrémní tvrdost, vysoká tepelná vodivost a mimo jiné by se dal použít i v biomedicínských aplikacích.

Lonsdaleit je materiál podobný diamantu, jehož krystalová struktura se ve srovnání s diamantem liší jen málo, zatímco diamant má ve srovnání s diamantem kubická krystalová struktura s tetraedricky vázaným uhlíkem, má lonsdaleit hexagonální krystalová struktura, což je méně častá forma přeskupení.

Většina výzkumů o syntéze diamantů uvádí, že k překonání vysoké kinetické bariéry fázových změn materiálu je třeba dvou forem excitace.

K syntéze diamantu a lonsdaleitu v laboratoři se obvykle používá vysoký tlak a zvýšená teplota.

Vědci dnes mají k dispozici diagram, který zobrazuje fyzikální stavy některých materiálů v závislosti na teplotě a tlaku, tzv. fázový diagram. Velmi známé a užitečná pomůcka pro vědce, aby věděli, jaká teplota a tlak jsou potřebné k dosažení určitého stavu, například pevného, kapalného nebo plynného. U atomů uhlíku jsou grafit a diamant dva příklady pevných stavů.

Pokud se podíváte na uhlíkový diagram, by bylo možné dosáhnout stavu diamantu při pokojové teplotě nad tlakem 2GPa, ale ve skutečnosti je třeba vzít v úvahu další faktory, které mohou způsobit obrovský rozdíl v konečném výsledku. Jedním z těchto faktorů zmíněných v článku je např. smykové napětí.

Smykové napětí je známé jako proces, při kterém se rovnoběžné vrstvy navzájem prokluzují. Velmi jednoduchým příkladem je, když si dáte ruce k sobě a začnete klouzat jednu po druhé - například když je vám zima a chcete si zahřát ruce - tento pohyb vytváří smykové napětí v rukou nebo v použitém materiálu.

Smykové napětí může podporovat fázovou změnu materiálů. Nebereme-li v úvahu teplotu, ukazuje se, že smykové napětí je důležitou složkou toho, jak "diamant může vznikat v mnohem širším spektru prostředí, pozemských i mimozemských, než se dosud předpokládalo", ale k potvrzení účinků smykového napětí je zapotřebí mnoha dalších studií. Vznik lonsdaleitu byl rovněž spojen se smykovým napětím. 

Ve snaze vyrobit diamant a lonsdaleit při pokojové teplotě vědci stlačili vzorky skelného uhlíku 80×10 % a vytvořili z nich diamant.9Pa - to je velký tlak, mnohem, mnohem větší než tlak, který jsi cítila při běžném testu na vysoké škole.

Toto číslo odpovídá téměř 800 tisícům atmosférických tlaků - žijeme pouze v jedné atmosféře.

Vědci analyzovali výsledky vzorků pomocí tří různých typů technik elektronové mikroskopie. Ramanovu spektroskopii, rentgenovou difrakci a TEM (transmisní elektronovou mikroskopii). Podívejme se na každou z nich.

Na stránkách Ramanova spektroskopie je technika, která poskytuje strukturní otisk určitého materiálu pomocí vibrační módy molekul.

Materiál vzorku interaguje s monochromatickým světlem - obvykle laserem - a absorbuje a emituje fotony nepružným rozptylem, jinými slovy, molekulární vibrace vzorku absorbuje určitý počet fotonů, přičemž absorbované množství se liší od emitovaného.

Tento rozdíl je detekován a konečný výsledek umožňuje vědcům získat strukturní informace o vzorku.

Difrakce rentgenového záření technika zahrnuje použití elektronového paprsku namísto monochromatického světla. Vzhledem ke vzorům uspořádání atomů v krystalové struktuře se rentgenový paprsek při dopadu na vzorek rozptyluje v mnoha různých úhlech a směrech.

Vědci mohou měřit tyto úhly a intenzity difraktovaného paprsku a transformovat data do trojrozměrného obrazu s polohou atomu v krystalu.

Na stránkách TEM, transmisní elektronová mikroskopie je mikroskopická technika, která využívá svazek elektronů namísto světla a také rentgenovou difrakci.

Vzorek je vystaven paprsku, který jím prochází a pomocí fluorescenčního detektoru vytváří obraz.

Tato technika vyžaduje přípravu vzorku na mřížce a je označována jako úhybná technika, protože dochází ke ztrátě vzorku, který je během analýzy zničen.

Po pokusu o výrobu diamantu vědci pomocí Ramanovy metody zjistili, že vzorky se skládají pouze z grafitického materiálu.

Rentgenové difrakční vzorce však ukázaly jiný výsledek, který prokazuje přítomnost lonsdaleitu (12%), diamantu (3%) a grafitu (85%).

Tyto rozdílné výsledky lze vysvětlit rozdíly v jednotlivých technikách. Ramanova metoda je schopna analyzovat pouze povrch materiálů, zatímco rentgenová difrakce může procházet celou tloušťkou vzorku.

Celkově tento výsledek dokazuje, že vznik tvrdých materiálů, jako je diamant, je výsledkem nejen tlaku a teploty.

Tvorbu materiálu mohou vyvolat i další faktory, například smykové napětí nebo faktory, které věda zatím nezná.

Možná, že v budoucnu, až se tato technika stlačování lépe etabluje a zlevní výrobu diamantů, bude věda schopna tento materiál plně využít. 

_____

Jste již Mind the Graph uživatele? Pokud ne, můžete začít právě teď! Můžete také kliknout na zde si prohlédnout naši galerii vědeckých ilustrací, nemusíte začínat svůj projekt od nuly! 

Související články
logo-odběr

Přihlaste se k odběru našeho newsletteru

Exkluzivní vysoce kvalitní obsah o efektivním vizuálním
komunikace ve vědě.

- Exkluzivní průvodce
- Tipy pro návrh
- Vědecké novinky a trendy
- Výukové programy a šablony