2020 novemberében jelent meg egy cikk, amely a következők szintéziséről számolt be a nanokristályos gyémánt és lonsdaleit szobahőmérsékleten, amit eddig lehetetlennek tartottunk.
A szintézist 80 GPa nyomáson végezték nem kristályos szénmintából készült prekurzorból. Ez csak nagy nyomás és nyírófeszültség mellett volt lehetséges, mindkettő "fontos a fázisképződés elősegítéséhez, mivel segíthet a kinetikai akadályok leküzdésében", a cikk szerint.
A tanulmány eredményei egy nagyon elterjedt elektronmikroszkópiai technika használatán alapulnak, amelyet a kristályográfiában használnak, amely az a kísérleti terület, amely az atomok elrendeződését vizsgálja a kristályos szilárd anyagokban, jelen cikk esetében a gyémántban és a lonsdaleitben.
A gyémánt, a kis (vagy nem) és értékes fényes kőzetdarab nem csak drága ékszer, hanem tulajdonságai miatt rendkívül fontos anyag, amely lehetővé teszi, hogy normál és extrém környezetben is használható legyen.
Néhány hasznos tulajdonsága: extrém keménység, nagy hővezető képesség, és többek között az orvosbiológiai alkalmazásokban is felhasználható.
A lonsdaleit egy gyémántszerű anyag, amelynek kristályszerkezete a gyémánthoz képest kevés eltérést mutat, míg a gyémántnak köbös kristályszerkezet egy tetraéderesen kötött szénnel, a Lonsdaleite egy hexagonális kristályszerkezet, az átrendeződés egy kevésbé gyakori formája.
A gyémánt szintézisével kapcsolatos legtöbb kutatás arról számol be, hogy két gerjesztési formára van szükség az anyagfázis-változás magas kinetikai korlátjának leküzdéséhez.
A gyémánt és a lonsdaleit laboratóriumban történő szintéziséhez általában nagy nyomást és magas hőmérsékletet alkalmaznak.
A tudósoknak ma már van egy diagramjuk, amely bizonyos anyagok fizikai állapotát mutatja a hőmérséklet és a nyomás függvényében, az ún. fázisdiagram. Nagyon híres és hasznos útmutató eszköz a tudósok számára, hogy tudják, milyen hőmérséklet és nyomás szükséges egy adott állapot, például szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapot eléréséhez. A szénatomokban a grafit és a gyémánt két példa a szilárd állapotokra.
Ha megnézzük a széndiagram, a gyémánt állapotot szobahőmérsékleten, 2 GPa nyomás felett is el lehetne érni, de a valóságban más tényezőket is figyelembe kell venni, olyan tényezőket, amelyek óriási különbséget okozhatnak a végeredményben. Az egyik ilyen, a cikkben említett tényező nyírófeszültség.
A nyírófeszültség olyan folyamatként ismert, amelyben párhuzamos rétegek csúsznak át egymáson. Egy nagyon egyszerű példa erre, amikor egymás mellé tesszük a kezünket, és elkezdünk csúszni egymáson - például amikor fázunk, és fel akarjuk melegíteni a kezünket -, ez a mozgás nyírófeszültséget hoz létre a kezünkben vagy a használt anyagban.
A nyírófeszültség elősegítheti az anyagok fázisváltását. A hőmérsékletet figyelmen kívül hagyva a nyírófeszültség fontos összetevőjének bizonyul annak, hogy "a gyémánt sokkal szélesebb körű, földi és földön kívüli környezetben is kialakulhat, mint azt korábban hitték", de a nyírófeszültség hatásainak megerősítéséhez még sok további vizsgálatra van szükség. A lonsdaleit képződését is összefüggésbe hozták a nyírófeszültséggel.
A gyémánt és a lonsdaleit szobahőmérsékleten történő előállítására törekedve a tudósok üveges szénmintákat helyeztek 80×109Pa - ez nagy nyomás, sokkal, de sokkal nagyobb, mint az a nyomás, amit a főiskolán éreztél, amikor egy rendes teszt alatt voltál.
Ez a szám közel 800 ezer légköri nyomásnak felel meg - mi csak egy légkör alatt élünk.
A tudósok a minták eredményeit három különböző elektronmikroszkópos technikával elemezték. Raman-spektroszkópia, röntgendiffrakció és TEM (transzmissziós elektronmikroszkópia). Nézzük meg ezek mindegyikét.
A Raman spektroszkópia egy olyan technika, amely egy adott anyag szerkezeti ujjlenyomatát adja meg a molekulák rezgési módusai.
A minta anyaga egy monokromatikus fénnyel - általában lézerrel - lép kölcsönhatásba, elnyelve és kibocsátva a fotonokat inelasztikus szórással, más szóval a minta molekuláris rezgése számos fotont nyel el, az elnyelt mennyiség különbözik a kibocsátottól.
Ez a különbség kimutatható, és a végeredmény lehetővé teszi a tudósok számára, hogy a minta szerkezeti információit megkapják.
A röntgendiffrakció technika során monokromatikus fény helyett elektronsugarat használnak. A kristályszerkezet atomelrendeződési mintázatainak köszönhetően, amikor a röntgensugár eléri a mintát, számos különböző szögben és irányban szóródik.
A tudósok meg tudják mérni ezeket a szögeket és a diffraktált sugár intenzitását, és az adatokat háromdimenziós képpé alakítják át az atomok kristályban elfoglalt helyével.
A TEM, transzmissziós elektronmikroszkópia olyan mikroszkópiai technika, amely fény helyett elektronsugarat, valamint röntgendiffrakciót használ.
A minta ki van téve a sugárnak, amely áthalad rajta, és egy fluoreszcens detektor segítségével képet készít.
Ez a technika megköveteli a minta előkészítését egy rácson, és a minta elvesztése, az elemzés során történő megsemmisülése miatt kitérő technikának minősül.
A gyémánt előállítására tett kísérlet után a kutatók Raman segítségével felfedezték, hogy a minták csak grafitos anyagból állnak.
A röntgendiffrakciós minták azonban más eredményt mutattak, bizonyítva a lonsdaleit (12%), a gyémánt (3%) és a grafit (85%) jelenlétét.
Ezek az eltérő eredmények az egyes technikák közötti különbségekkel magyarázhatók. A Raman csak az anyagok felületét képes elemezni, míg a röntgendiffrakció a minta teljes vastagságát képes átvizsgálni.
Összességében ez az eredmény azt bizonyítja, hogy a gyémánthoz hasonló kemény anyagok kialakulása nem csak a nyomás és a hőmérséklet eredménye.
És más tényezők is előidézhetik az anyagképződést, mint például a nyírófeszültség, vagy olyan tényezők, amelyeket a tudomány még nem is ismer.
Talán a jövőben, amikor ez a tömörítési technika jobban beválik, és olcsóbbá válik a gyémántgyártás, a tudomány teljes mértékben ki tudja majd használni az anyag előnyeit.
_____
Ön már egy Mind the Graph felhasználó? Ha nem, akkor elkezdheti most rögtön! Kattintson a itt tudományos illusztrációk galériánkat, nem kell a nulláról kezdenie a projektjét!
Iratkozzon fel hírlevelünkre
Exkluzív, kiváló minőségű tartalom a hatékony vizuális
kommunikáció a tudományban.
Hungarian 
English 
Chinese 
Czech 
Dutch 
French 
German 
Italian 
Indonesian 
Japanese 
Korean 
Polish 
Portuguese 
Russian 
Spanish 
Turkish 
Ukrainian 
Swedish 
Romanian 
Bulgarian 
Finnish 
Greek 
Norwegian 
Danish 
Estonian 
Slovenian 
Lithuanian 
Latvian 
Slovak