2020 m. lapkričio mėn. buvo paskelbtas straipsnis, kuriame pateikiama sintezė apie a nanokristalinį deimantą ir lonsdaleitą kambario temperatūroje - iki šiol tai buvo laikoma neįmanomu dalyku.

Sintezė buvo vykdoma esant 80 GPa slėgiui iš nekristalinės anglies mėginio pirmtako. Tai buvo įmanoma tik esant dideliam slėgiui ir šlyties įtempiui, nes abu šie veiksniai buvo "svarbūs skatinant fazių susidarymą, nes gali padėti įveikti kinetinius barjerus", rašoma straipsnyje.

Tyrimo rezultatai grindžiami labai paplitusiu elektroninės mikroskopijos metodu, gana plačiai naudojamu kristalografijoje, t. y. eksperimentinėje srityje, kurioje tiriamas atomų išsidėstymas kristaliniuose kietuosiuose kūnuose, šio straipsnio atveju - deimante ir lonsdaleite.

Deimantas, mažas (arba ne) ir brangus blizgančios uolienos gabalėlis, yra ne tik brangus papuošalas, bet ir be galo svarbi medžiaga dėl savo savybių, leidžiančių jį naudoti įprastoje ir ekstremalioje aplinkoje.

Kai kurios naudingos savybės yra šios: ypatingas kietumas, didelis šiluminis laidumas, be kita ko, jis taip pat gali būti naudojamas biomedicinoje.

Lonsdaleitas yra į deimantą panaši medžiaga, kurios kristalinė struktūra, palyginti su deimantu, skiriasi nedaug, o deimanto kubinė kristalinė struktūra su tetraedriškai sujungta anglimi, Lonsdaleitas turi šešiakampė kristalinė struktūra, rečiau pasitaikanti pertvarkymo forma.

Dauguma tyrimų apie deimantų sintezę rodo, kad reikia dviejų sužadinimo formų, kad būtų įveiktas didelis kinetinis medžiagos fazės pokyčių barjeras.

Deimantui ir lonsdaleitui sintetinti laboratorijoje paprastai naudojamas aukštas slėgis ir padidinta temperatūra.

Šiandien mokslininkai turi schemą, kuri rodo tam tikros medžiagos fizikines būsenas, priklausančias nuo temperatūros ir slėgio, vadinamą fazinė diagrama. Labai garsus ir naudingas orientacinis įrankis mokslininkams, padedantis sužinoti, kokios temperatūros ir slėgio reikia tam tikrai būsenai, pavyzdžiui, kietai, skystai ar dujinei, pasiekti. Anglies atomai grafitas ir deimantas yra du kietųjų būsenų pavyzdžiai.

Jei pažvelgsite į anglies diagrama, deimanto būseną galima pasiekti kambario temperatūroje, esant didesniam nei 2 GPa slėgiui, tačiau iš tikrųjų reikia atsižvelgti į kitus veiksnius, kurie gali lemti didžiulį galutinio rezultato skirtumą. Vienas iš šių straipsnyje minimų veiksnių yra šlyties įtempiai.

Šlyties įtempiu vadinamas procesas, kai lygiagretūs sluoksniai slysta vienas per kitą. Labai paprastas pavyzdys - kai sudedate rankas ir pradedate slysti viena ant kitos, pavyzdžiui, kai jaučiate šaltį ir norite sušildyti rankas, šis judesys sukelia šlyties įtempimą rankose arba naudojamoje medžiagoje.

Šlyties įtempiai gali skatinti medžiagų fazių kaitą. Neatsižvelgiant į temperatūrą, šlyties įtempimas, pasirodo, yra svarbus komponentas, lemiantis, kaip "deimantas gali susidaryti daug įvairesnėse aplinkose, tiek žemiškose, tiek nežemiškose, nei manyta anksčiau", tačiau šlyties įtempimo poveikiui patvirtinti reikia atlikti dar daug tyrimų. Lonsdaleito susidarymas taip pat buvo siejamas su šlyties įtempimu. 

Bandydami kambario temperatūroje pagaminti deimantą ir lonsdaleitą, mokslininkai stiklinės anglies bandinius suspaudė 80×109Pa - tai didelis spaudimas, daug, daug didesnis nei tas, kurį jautėte koledže, kai laikėte įprastą testą.

Šis skaičius prilygsta beveik 800 tūkstančių atmosferos slėgiui - mes gyvename tik vienoje atmosferoje.

Mokslininkai mėginių rezultatus analizavo taikydami tris skirtingus elektroninės mikroskopijos metodus. Ramano spektroskopija, rentgeno spindulių difrakcija ir TEM (transmisinė elektroninė mikroskopija). Patikrinkime kiekvieną iš jų.

Svetainė Ramano spektroskopija tai metodas, kuriuo nustatomas konkrečios medžiagos struktūrinis pirštų atspaudas naudojant molekulių virpesių režimai.

Bandinio medžiaga sąveikauja su monochromatine šviesa - paprastai lazeriu - sugerdama ir išspinduliuodama fotonus neelastinės sklaidos būdu, kitaip tariant, bandinio molekulinės vibracijos sugeria tam tikrą skaičių fotonų, kurių sugertas kiekis skiriasi nuo išspinduliuoto.

Šis skirtumas aptinkamas, o galutinis rezultatas leidžia mokslininkams gauti struktūrinę informaciją apie mėginį.

Rentgeno spindulių difrakcija naudojant šį metodą vietoj monochromatinės šviesos naudojamas elektronų spindulys. Dėl kristalinės struktūros atomų išsidėstymo modelių, kai rentgeno spindulių pluoštas pasiekia bandinį, jis difragmentuoja įvairiais kampais ir kryptimis.

Mokslininkai gali išmatuoti difrakcinio spindulio kampus ir intensyvumą, transformuodami duomenis į trimatį vaizdą su atomo padėtimi kristale.

Svetainė TEM, Transmisinė elektroninė mikroskopija tai mikroskopijos metodas, kai vietoj šviesos naudojamas elektronų pluoštas ir rentgeno spindulių difrakcija.

Mėginys yra veikiamas spindulio, kuris praeina pro jį ir fluorescencijos detektoriaus pagalba sukuria vaizdą.

Šiam metodui reikia paruošti mėginį ant tinklelio ir jis vadinamas vengiamuoju metodu, nes analizės metu mėginys prarandamas ir sunaikinamas.

Pabandę pagaminti deimantą, tyrėjai Ramano metodu nustatė, kad bandinius sudaro tik grafito medžiaga.

Tačiau rentgeno spinduliuotės difrakcijos modeliai parodė kitokius rezultatus - lonsdaleito (12%), deimanto (3%) ir grafito (85%) buvimą.

Šiuos skirtingus rezultatus galima paaiškinti kiekvieno metodo skirtumais. Ramano metodu galima analizuoti tik medžiagų paviršių, o rentgeno spinduliuotės difrakcijos metodu - visą bandinio storį.

Apskritai šis rezultatas įrodo, kad kietos medžiagos, tokios kaip deimantas, susidaro ne tik dėl slėgio ir temperatūros.

Medžiagos formavimąsi gali paskatinti ir kiti veiksniai, pavyzdžiui, šlyties įtempiai arba veiksniai, kurių mokslas dar nežino.

Galbūt ateityje, kai šis suspaudimo metodas geriau įsitvirtins ir deimantų gamyba taps pigesnė, mokslas galės visapusiškai pasinaudoti šia medžiaga. 

_____

Ar jau esate Mind the Graph naudotojas? Jei ne, galite pradėti dabar! Taip pat galite spustelėti čia pamatyti mūsų mokslinių iliustracijų galeriją, jums nereikia pradėti projekto nuo nulio! 

Susiję straipsniai
logotipas-užsisakyti

Prenumeruokite mūsų naujienlaiškį

Išskirtinis aukštos kokybės turinys apie veiksmingą vaizdinį
bendravimas mokslo srityje.

- Išskirtinis vadovas
- Dizaino patarimai
- Mokslo naujienos ir tendencijos
- Mokomosios medžiagos ir šablonai