Marraskuussa 2020 julkaistiin artikkeli, jossa raportoitiin synteesi a nanokiteistä timanttia ja lonsdaleiittia huoneenlämmössä, mitä on tähän asti pidetty mahdottomana.

Synteesi suoritettiin 80 GPa:n paineessa ei-kiteisestä hiilinäytteen esiasteesta. Tämä oli mahdollista vain korkeilla paineilla ja leikkausjännityksellä, jotka molemmat olivat "tärkeitä faasin muodostumisen edistämiseksi, koska niiden avulla voidaan voittaa kineettiset esteet", artikkelin mukaan.

Tutkimuksen tulokset perustuvat hyvin yleisen elektronimikroskooppitekniikan käyttöön, jota käytetään kiteessä, joka on kokeellinen ala, jolla tutkitaan atomien sijoittelua kiteisissä kiinteissä aineissa, tämän artikkelin tapauksessa timantissa ja lonsdaleiitissä.

Timantti, pieni (tai ei) ja kallisarvoinen kiiltävä kivi, ei ole vain kallis koru, vaan se on myös erittäin tärkeä materiaali ominaisuuksiensa ansiosta, joiden ansiosta sitä voidaan käyttää tavallisissa ja äärimmäisissä ympäristöissä.

Joitakin hyödyllisiä ominaisuuksia ovat muun muassa äärimmäinen kovuus ja korkea lämmönjohtavuus, ja sitä voidaan käyttää myös muun muassa biolääketieteellisissä sovelluksissa.

Lonsdaleiitti on timantin kaltainen materiaali, jonka kiderakenteessa on vain vähän eroja timanttiin verrattuna, kun taas timantilla on kuutiomainen kiderakenne jossa on tetraedrisesti sitoutunut hiili, Lonsdaleitissa on kuusikulmainen kiderakenne, harvinaisempi uudelleenjärjestelyn muoto.

Useimmissa timanttisynteesiä koskevissa tutkimuksissa kerrotaan, että materiaalin faasimuutosten korkean kineettisen esteen ylittämiseksi tarvitaan kaksi herätemuotoa.

Timantin ja lonsdaleiitin syntetisointiin laboratoriossa käytetään yleensä korkeaa painetta ja korkeaa lämpötilaa.

Tutkijoilla on nykyään kaavio, joka osoittaa jonkin materiaalin fysikaaliset tilat lämpötilan ja paineen perusteella. faasidiagrammi. Hyvin kuuluisa ja hyödyllinen apuväline tutkijoille, jotta he tietävät, mikä lämpötila ja paine tarvitaan tietyn olomuodon, kuten kiinteän, nestemäisen tai kaasumaisen olomuodon, saavuttamiseksi. Hiiliatomien osalta grafiitti ja timantti ovat kaksi esimerkkiä kiinteistä tiloista.

Jos tarkastellaan hiilidiagrammi, timanttinen tila voitaisiin saavuttaa huoneenlämmössä yli 2 GPa:n paineessa, mutta todellisuudessa on otettava huomioon muita tekijöitä, jotka voivat aiheuttaa valtavan eron lopputulokseen. Yksi näistä tekijöistä, jotka mainitaan artikkelissa, on leikkausjännitys.

Leikkausjännitys tunnetaan prosessina, jossa yhdensuuntaiset kerrokset liukuvat toistensa läpi. Hyvin yksinkertainen esimerkki tästä on, kun laitat kätesi yhteen ja alat liu'uttaa niitä toistensa päälle - esimerkiksi kun tunnet olosi kylmäksi ja haluat lämmittää kätesi - tämä liike aiheuttaa leikkausjännitystä käsissä tai käytettävässä materiaalissa.

Leikkausjännitys voi edistää materiaalien faasimuutosta. Jos lämpötilaa ei oteta huomioon, leikkausjännitys osoittautuu tärkeäksi osatekijäksi siinä, miten "timantti voi muodostua paljon laajemmassa valikoimassa ympäristöjä, sekä maanpäällisissä että maan ulkopuolisissa, kuin aiemmin on uskottu", mutta tarvitaan vielä paljon tutkimuksia leikkausjännityksen vaikutusten vahvistamiseksi. Myös lonsdaleiitin muodostuminen on yhdistetty leikkausjännitykseen. 

Tutkijat yrittivät tuottaa timanttia ja lonsdaleiittia huoneenlämmössä, kun he laittoivat lasimaiset hiilinäytteet 80 × 10 × 10 mm:n puristukseen.9Pa - se on suuri paine, paljon, paljon suurempi kuin se paine, jota tunsit tavallisen kokeen läpäisemisessä yliopistossa.

Tämä määrä vastaa lähes 800 tuhannen ilmakehän painetta - me elämme vain yhden ilmakehän alla.

Tutkijat analysoivat näytteiden tuloksia kolmella erityyppisellä elektronimikroskooppitekniikalla. Raman-spektroskopia, röntgendiffraktio ja TEM (transmissioelektronimikroskopia). Tutustutaanpa kuhunkin näistä.

The Raman-spektroskopia on tekniikka, jolla saadaan tietyn materiaalin rakenteellinen sormenjälki käyttäen hyväksi molekyylien värähtelymoodit.

Näytemateriaali on vuorovaikutuksessa monokromaattisen valon - tavallisesti laserin - kanssa absorboimalla ja emittoimalla fotoneja kimmottomalla sironnalla, toisin sanoen näytteen molekyylivärähtely absorboi useita fotoneja, absorboitunut määrä eroaa emittoituneesta määrästä.

Tämä ero havaitaan, ja lopputuloksen avulla tutkijat saavat näytteen rakenteelliset tiedot.

Röntgendiffraktio tekniikassa käytetään elektronisuihkua monokromaattisen valon sijasta. Kiderakenteen atomien järjestäytymismallien ansiosta röntgensäde diffraktoituu näytteeseen osuessaan monissa eri kulmissa ja suunnissa.

Tutkijat voivat mitata nämä diffraktoituneen säteen kulmat ja voimakkuudet ja muuntaa tiedot kolmiulotteiseksi kuvaksi, jossa näkyy atomin sijainti kiteessä.

The TEM, läpäisyelektronimikroskopia on mikroskooppitekniikka, jossa käytetään valon sijasta elektronisuihkua sekä röntgendiffraktiota.

Näyte altistetaan säteelle, joka kulkee sen läpi ja tuottaa kuvan fluoresenssidetektorin avulla.

Tämä tekniikka edellyttää näytteen valmistelua ruudukkoon, ja sitä pidetään välttelevänä tekniikkana, koska näyte katoaa ja tuhoutuu analyysin aikana.

Kun timanttia oli yritetty tuottaa, tutkijat havaitsivat Ramanin avulla, että näytteet koostuivat vain grafiittisesta materiaalista.

Röntgendiffraktiokuviot osoittivat kuitenkin toisenlaisen tuloksen, joka osoitti lonsdaleiitin (12%), timantin (3%) ja grafiitin (85%) esiintymisen.

Nämä toisistaan poikkeavat tulokset selittyvät kunkin tekniikan eroilla. Raman-tekniikalla voidaan analysoida vain materiaalien pintaa, kun taas röntgendiffraktiolla voidaan tutkia näytteen koko paksuus.

Kaiken kaikkiaan tämä tulos osoittaa, että timantin kaltaisten kovien materiaalien muodostuminen ei johdu vain paineesta ja lämpötilasta.

Myös muut tekijät voivat aiheuttaa materiaalin muodostumista, kuten leikkausjännitys tai tekijät, joita tiede ei vielä edes tunne.

Ehkä tulevaisuudessa, kun tämä puristustekniikka on vakiinnuttanut asemansa paremmin ja timanttituotanto halpenee, tiede pystyy hyödyntämään materiaalia täysimääräisesti. 

_____

Oletko jo Mind the Graph käyttäjä? Jos et, voit aloittaa juuri nyt! Voit myös klikata täällä nähdäksesi tieteelliset kuvituksemme galleriassa, sinun ei tarvitse aloittaa projektiasi tyhjästä! 

Aiheeseen liittyvät artikkelit
logo-tilaus

Tilaa uutiskirjeemme

Eksklusiivista korkealaatuista sisältöä tehokkaasta visuaalisesta
tiedeviestintä.

- Eksklusiivinen opas
- Suunnitteluvinkkejä
- Tieteelliset uutiset ja suuntaukset
- Oppaat ja mallit