Im November 2020 wurde ein Artikel veröffentlicht, der die Synthese von a nanokristallinen Diamanten und Lonsdaleit bei Raumtemperatur, was bis heute als unmöglich galt.
Die Synthese wurde unter einem Druck von 80 GPa aus einer nicht kristallinen Kohlenstoffvorstufe durchgeführt. Dies war nur mit hohen Drücken und Scherspannungen möglich, die beide "für die Förderung der Phasenbildung wichtig sind, da sie zur Überwindung kinetischer Barrieren beitragen können", heißt es in dem Artikel.
Die Ergebnisse der Studie beruhen auf dem Einsatz einer sehr verbreiteten elektronenmikroskopischen Technik, die in der Kristallographie verwendet wird, d. h. dem experimentellen Bereich, der die Anordnung der Atome in kristallinen Festkörpern untersucht, im Falle des vorliegenden Artikels Diamant und Lonsdaleit.
Der Diamant, das kleine (oder auch nicht) kostbare Stück glänzenden Gesteins, ist nicht nur ein teurer Schmuck, sondern aufgrund seiner Eigenschaften auch ein äußerst wichtiges Material, das in normalen und extremen Umgebungen eingesetzt werden kann.
Einige nützliche Eigenschaften sind extreme Härte, hohe Wärmeleitfähigkeit und der Einsatz in der Biomedizin, um nur einige zu nennen.
Der Lonsdaleit ist ein diamantähnliches Material mit wenigen Unterschieden in der Kristallstruktur im Vergleich zu Diamant, während der Diamant eine kubische Kristallstruktur mit einem tetraedrisch gebundenen Kohlenstoff, das Lonsdaleit hat eine hexagonale Kristallstruktureine weniger häufige Form der Umlagerung.
In den meisten Forschungsarbeiten zur Diamantsynthese wird berichtet, dass zwei Anregungsformen erforderlich sind, um die hohe kinetische Barriere der Phasenumwandlung des Materials zu überwinden.
Zur Synthese von Diamant und Lonsdaleit im Labor werden in der Regel hoher Druck und hohe Temperaturen eingesetzt.
Wissenschaftler verfügen heute über ein Diagramm, das die physikalischen Zustände eines Materials in Abhängigkeit von Temperatur und Druck zeigt, das so genannte Phasendiagramm. Sehr berühmt und ein nützliches Hilfsmittel für Wissenschaftler, um zu wissen, welche Temperatur und welcher Druck erforderlich sind, um einen bestimmten Zustand zu erreichen, wie fest, flüssig oder gasförmig. Bei den Kohlenstoffatomen sind Graphit und Diamant zwei Beispiele für feste Zustände.
Wenn Sie sich die KohlenstoffdiagrammDer Zustand des Diamanten könnte bei Raumtemperatur oberhalb eines Drucks von 2 GPa erreicht werden, aber in Wirklichkeit müssen andere Faktoren berücksichtigt werden, die einen großen Unterschied im Endergebnis bewirken können. Einer dieser Faktoren, der in dem Artikel erwähnt wird, ist Scherbelastung.
Scherspannung ist bekannt als ein Prozess, bei dem parallele Schichten durcheinander gleiten. Ein sehr einfaches Beispiel dafür ist, wenn Sie Ihre Hände zusammenlegen und beginnen, sie übereinander zu schieben - z. B. wenn Ihnen kalt ist und Sie Ihre Hände aufwärmen wollen - diese Bewegung erzeugt Scherspannung in den Händen oder in dem verwendeten Material.
Die Scherspannung kann die Phasenveränderung von Materialien fördern. Unabhängig von der Temperatur erweist sich die Scherbeanspruchung als eine wichtige Komponente bei der "Bildung von Diamanten in einem viel breiteren Spektrum von Umgebungen, sowohl terrestrisch als auch extraterrestrisch, als bisher angenommen", aber es sind noch viele Studien erforderlich, um die Auswirkungen der Scherbeanspruchung zu bestätigen. Die Bildung von Lonsdaleit wird ebenfalls mit Scherspannungen in Verbindung gebracht.
Bei dem Versuch, Diamant und Lonsdaleit bei Raumtemperatur herzustellen, setzten die Wissenschaftler glasartige Kohlenstoffproben einem Druck von 80×109Pa - das ist ein enormer Druck, viel, viel mehr als der Druck, den Sie bei einer regulären Prüfung im College verspürten.
Diese Zahl entspricht einem Druck von fast 800 Tausend Atmosphären - wir leben in nur einer Atmosphäre.
Die Wissenschaftler analysierten die Probenergebnisse mit drei verschiedenen Arten von Elektronenmikroskopietechniken. Raman-Spektroskopie, Röntgenbeugung und TEM (Transmissionselektronenmikroskopie). Schauen wir uns jedes dieser Verfahren an.
Die Raman-Spektroskopie ist eine Technik, die einen strukturellen Fingerabdruck eines bestimmten Materials liefert, indem sie die Schwingungsmoden von Molekülen.
Das Probenmaterial interagiert mit monochromatischem Licht - in der Regel einem Laser - und absorbiert und emittiert Photonen auf unelastische Weise, d. h. die Molekularschwingung der Probe absorbiert eine Reihe von Photonen, wobei die absorbierte Menge von der emittierten Menge abweicht.
Dieser Unterschied wird erkannt und das Endergebnis ermöglicht es den Wissenschaftlern, strukturelle Informationen über die Probe zu erhalten.
Die Röntgenbeugung Technik wird anstelle von monochromatischem Licht ein Elektronenstrahl verwendet. Aufgrund der Anordnungsmuster der Atome in der Kristallstruktur wird der Röntgenstrahl, wenn er die Probe erreicht, in viele verschiedene Winkel und Richtungen gebeugt.
Die Wissenschaftler können diese Winkel und Intensitäten des gebeugten Strahls messen und die Daten in ein dreidimensionales Bild mit den Positionen der Atome im Kristall umwandeln.
Die TEM, Transmissionselektronenmikroskopie ist eine Mikroskopietechnik, die einen Elektronenstrahl anstelle von Licht sowie Röntgenbeugung verwendet.
Die Probe wird dem Strahl ausgesetzt, der sie durchdringt und mit Hilfe eines Fluoreszenzdetektors ein Bild erzeugt.
Diese Technik erfordert eine Probenvorbereitung auf einem Gitter und wird wegen des Probenverlusts, der während der Analyse auftritt, als Ausweichmethode bezeichnet.
Nach dem Versuch, einen Diamanten herzustellen, entdeckten die Forscher durch Raman, dass die Proben nur aus graphitischem Material bestanden.
Die Röntgenbeugungsmuster zeigen jedoch ein anderes Ergebnis und belegen das Vorhandensein von Lonsdaleit (12%), Diamant (3%) und Graphit (85%).
Diese abweichenden Ergebnisse sind auf die Unterschiede zwischen den einzelnen Techniken zurückzuführen. Mit Raman kann nur die Oberfläche von Materialien analysiert werden, während die Röntgenbeugung die gesamte Dicke der Probe durchdringen kann.
Insgesamt beweist dieses Ergebnis, dass die Bildung harter Materialien wie Diamant nicht nur eine Folge von Druck und Temperatur ist.
Auch andere Faktoren wie die Scherbelastung oder Faktoren, die die Wissenschaft noch gar nicht kennt, können die Materialbildung auslösen.
Vielleicht kann die Wissenschaft in Zukunft, wenn sich diese Komprimierungstechnik besser etabliert hat und die Diamantenproduktion billiger wird, die Vorteile des Materials voll ausschöpfen.
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