I november 2020 blev der offentliggjort en artikel, der rapporterede syntesen af a nanokrystallinsk diamant og lonsdaleit ved stuetemperatur, noget man indtil i dag har anset for umuligt at gøre.

Syntesen blev udført under et tryk på 80GPa fra en ikke-krystallinsk kulstofprøve. Dette var kun muligt med højt tryk og forskydningsspænding, som begge var "vigtige for at fremme fasedannelse, da det kan hjælpe med at overvinde kinetiske barrierer", ifølge artiklen.

Resultaterne af undersøgelsen bygger på brugen af en meget almindelig elektronmikroskopiteknik, der er meget brugt i krystallografi, som er det eksperimentelle felt, der studerer atomernes arrangement i krystallinske faste stoffer, i denne artikels tilfælde diamant og lonsdaleit.

Diamant, det lille (eller ikke) og dyrebare stykke skinnende sten, er ikke bare dyre smykker, det er også et uhyre vigtigt materiale på grund af dets egenskaber, der gør det muligt at bruge det i normale og ekstreme miljøer.

Nogle nyttige egenskaber er ekstrem hårdhed, høj varmeledningsevne, og det kan også bruges i biomedicinske applikationer, blandt andre.

Lonsdaleit er et diamantlignende materiale med få forskelle i krystalstrukturen sammenlignet med diamant, mens diamant har en kubisk krystalstruktur med et tetraederbundet kulstof, har Lonsdaleit en hexagonal krystalstruktur, en mindre almindelig form for omlejring.

Det meste forskning i diamantsyntese rapporterer om behovet for to excitationsformer for at overvinde den høje kinetiske barriere for materialefaseskift.

Højt tryk og forhøjet temperatur bruges normalt til at syntetisere diamant og lonsdaleit i laboratoriet.

Forskere har i dag et diagram, der viser de fysiske tilstande af et materiale baseret på temperatur og tryk kaldet fasediagram. Meget berømt og Et nyttigt værktøj for forskere til at vide, hvilken temperatur og hvilket tryk der skal til for at opnå en bestemt tilstand, som fast, flydende eller gasformig. I kulstofatomer er grafit og diamant to eksempler på faste tilstande.

Hvis man ser på kulstofdiagramI virkeligheden er der andre faktorer, der skal tages i betragtning, faktorer, der kan forårsage en enorm forskel i det endelige resultat. En af disse faktorer, der nævnes i artiklen, er forskydningsspænding.

Forskydningsspænding er kendt som en proces, hvor parallelle lag glider gennem hinanden. Et meget simpelt eksempel på det er, når du samler dine hænder og begynder at glide den ene over den anden - som når du fryser og vil varme dine hænder op - denne bevægelse skaber forskydningsspænding i hænderne eller i det materiale, der bruges.

Forskydningsspændingen kan fremme faseskift i materialer. Hvis man ser bort fra temperaturen, viser forskydningsspændingen sig at være en vigtig komponent i, hvordan "diamanten kan dannes i en meget bredere vifte af miljøer, både terrestriske og ekstra-terrestriske, end man tidligere har troet", men der er brug for mange flere undersøgelser for at bekræfte forskydningsspændingens effekter. Lonsdaleit-dannelsen er også blevet sat i forbindelse med forskydningsspænding. 

I forsøget på at fremstille diamant og lonsdaleit ved stuetemperatur satte forskerne glasagtige kulstofprøver under en kompression på 80×109Pa - det er et stort pres, meget, meget større end det pres, du følte under en almindelig prøve på universitetet.

Dette tal svarer til et tryk på næsten 800.000 atmosfærer - vi lever kun i én atmosfære.

Forskerne analyserede prøveresultaterne ved hjælp af tre forskellige typer elektronmikroskopiteknikker. Raman-spektroskopi, røntgendiffraktion og TEM (transmissionselektronmikroskopi). Lad os se nærmere på hver af dem.

Den Raman-spektroskopi er en teknik, der giver et strukturelt fingeraftryk af et specifikt materiale vha. molekylers vibrationstilstande.

Prøvematerialet interagerer med et monokromatisk lys - normalt en laser - og absorberer og udsender fotoner på en uelastisk spredningsmåde, med andre ord absorberer prøvens molekylære vibrationer et antal fotoner, hvor den absorberede mængde er forskellig fra den, der udsendes.

Denne forskel registreres, og det endelige resultat giver forskerne mulighed for at få strukturelle oplysninger om prøven.

Røntgendiffraktion teknikken involverer brugen af en elektronstråle i stedet for monokromatisk lys. I kraft af atomernes arrangementsmønstre i krystalstrukturen, når røntgenstrålen når prøven, diffrakteres den i mange forskellige vinkler og retninger.

Forskerne kan måle disse vinkler og intensiteter af den diffrakterede stråle og omdanne dataene til et tredimensionelt billede med atomets positioner i krystallen.

Den TEM, transmissionselektronmikroskopi er en mikroskopiteknik, der bruger en elektronstråle i stedet for lys samt røntgendiffraktion.

Prøven udsættes for strålen, som passerer igennem den og frembringer et billede ved hjælp af en fluorescensdetektor.

Denne teknik kræver en prøveforberedelse på et gitter, og den betegnes som en undvigende teknik på grund af tab af prøver, der ødelægges under analysen.

Efter forsøget på at fremstille en diamant opdagede forskerne via Raman, at prøverne kun bestod af grafitisk materiale.

Røntgendiffraktionsmønstrene viste dog et andet resultat og demonstrerede tilstedeværelsen af lonsdaleit (12%), diamant (3%) og grafit (85%).

Disse divergerende resultater kan forklares med forskelle i de enkelte teknikker. Raman er kun i stand til at analysere overfladen af materialer, mens røntgendiffraktion kan gå gennem hele tykkelsen af prøven.

Samlet set beviser dette resultat, at dannelsen af hårde materialer som diamant ikke kun er et resultat af tryk og temperatur.

Og andre faktorer kan fremkalde materialedannelse som forskydningsspænding eller faktorer, som videnskaben ikke engang kender endnu.

Måske i fremtiden, når denne kompressionsteknik har etableret sig bedre og billiggjort diamantproduktionen, vil videnskaben være i stand til at drage fuld fordel af materialet. 

_____

Er du allerede en Mind the Graph bruger? Hvis du ikke gør, kan du starte lige nu! Du kan også klikke på her for at se vores videnskabelige illustrationsgalleri, behøver du ikke at starte dit projekt fra bunden! 

Relaterede artikler
logo-abonnement

Tilmeld dig vores nyhedsbrev

Eksklusivt indhold af høj kvalitet om effektiv visuel
kommunikation inden for videnskab.

- Eksklusiv guide
- Tips til design
- Videnskabelige nyheder og tendenser
- Vejledninger og skabeloner