I november 2020 ble det publisert en artikkel som rapporterte om syntesen av a nanokrystallinsk diamant og lonsdaleitt ved romtemperatur, noe som frem til i dag har vært ansett som umulig.

The synthesis was conducted under a pressure of 80GPa from a non-crystalline carbon sample precursor. This was only possible with high pressures and shear stress, both were “important for promoting phase formation since it can help overcome kinetic barriers”, ifølge artikkelen.

Resultatene av studien bygger på bruk av en svært vanlig elektronmikroskopiteknikk som er mye brukt innen krystallografi, som er det eksperimentelle feltet som studerer atomenes plassering i krystallinske faste stoffer, i denne artikkelens tilfelle diamant og lonsdaleitt.

Diamanten, den lille (eller ikke) dyrebare og skinnende steinen, er ikke bare et dyrt smykke, men også et utrolig viktig materiale på grunn av egenskapene som gjør at det kan brukes i normale og ekstreme miljøer.

Noen nyttige egenskaper er blant annet ekstrem hardhet, høy varmeledningsevne og at det også kan brukes i biomedisinske applikasjoner.

The Lonsdaleite is a diamond-like material with few differences in the crystal structure when compared to diamond, while the diamond has a kubisk krystallstruktur med et tetraederbundet karbon, mens Lonsdaleite har en sekskantet krystallstruktur, en mindre vanlig form for omorganisering.

Most research about diamond synthesis reports the need for two excitation forms to surpass the high kinetic barrier of material phase changes.

Høyt trykk og høy temperatur brukes vanligvis til å syntetisere diamant og lonsdaleitt i laboratoriet.

Forskere har i dag et diagram som viser de fysiske tilstandene til et materiale basert på temperatur og trykk, og som kalles for fasediagram. Svært kjent og er et nyttig hjelpemiddel for forskere når de skal finne ut hvilken temperatur og hvilket trykk som kreves for å oppnå en bestemt tilstand, for eksempel fast, flytende eller gassformig. Når det gjelder karbonatomer, er grafitt og diamant to eksempler på faste tilstander.

Hvis du ser på Karbondiagram, the diamond state could be achieved at room temperature above the pressure of 2GPa, but in reality, other factors need to be considered, factors that can cause a huge difference in the final result. One of these factors mentioned in the article is skjærspenning.

Skjærspenning er kjent som en prosess der parallelle lag glir gjennom hverandre. Et veldig enkelt eksempel på dette er når du legger hendene sammen og begynner å gli over hverandre - for eksempel når du fryser og vil varme opp hendene - denne bevegelsen skaper skjærspenning i hendene eller i materialet som brukes.

Skjærspenning kan fremme faseforandring av materialer. Når man ser bort fra temperatur, viser skjærspenning seg å være en viktig komponent i hvordan "diamanten kan dannes i et mye bredere spekter av miljøer, både terrestriske og utenomjordiske, enn tidligere antatt", men det trengs mange flere studier for å bekrefte skjærspenningseffektene. Lonsdaleittdannelsen har også blitt assosiert med skjærspenning. 

I et forsøk på å produsere diamant og lonsdaleitt ved romtemperatur, satte forskerne glassaktige karbonprøver under kompresjon på 80×109Pa - det er et stort press, mye, mye større enn det presset du følte da du gikk opp til en vanlig prøve på college.

Dette tallet tilsvarer et trykk på nesten 800 tusen atmosfærer - vi lever under bare én atmosfære.

Scientists analyzed the sample results through three different types of electron microscopy techniques. Raman Spectroscopy, X-ray diffraction, and TEM (transmission electron microscopy). Let’s check out each one of these.

Den Raman-spektroskopi er en teknikk som gir et strukturelt fingeravtrykk av et spesifikt materiale ved bruk av Vibrasjonsmodi i molekyler.

Prøvematerialet interagerer med et monokromatisk lys - vanligvis en laser - og absorberer og sender ut fotoner på en uelastisk måte, med andre ord absorberer molekylvibrasjonen i prøven et antall fotoner, og mengden som absorberes, er forskjellig fra den som sendes ut.

Denne forskjellen detekteres, og det endelige resultatet gir forskerne strukturell informasjon om prøven.

Røntgendiffraksjon teknikken innebærer bruk av en elektronstråle i stedet for monokromatisk lys. På grunn av atomenes arrangementsmønstre i krystallstrukturen vil røntgenstrålen diffraktere i mange forskjellige vinkler og retninger når den når prøven.

Forskerne kan måle disse vinklene og intensiteten til den diffrakterte strålen og omdanne dataene til et tredimensjonalt bilde med atomets posisjon i krystallen.

Den TEM, transmisjonselektronmikroskopi er en mikroskopiteknikk som bruker en elektronstråle i stedet for lys, samt røntgendiffraksjon.

The sample is exposed to the beam, which passes through it producing an image with help of a fluorescence detector.

Denne teknikken krever prøvepreparering på et rutenett, og den betegnes som en unnvikende teknikk på grunn av tap av prøver som ødelegges under analysen.

Etter forsøket på å fremstille en diamant oppdaget forskerne ved hjelp av Raman at prøvene kun besto av grafittmateriale.

Røntgendiffraksjonsmønstrene viste imidlertid et annet resultat, og viste tilstedeværelse av lonsdaleitt (12%), diamant (3%) og grafitt (85%).

Disse ulike resultatene kan forklares med forskjellene mellom de to teknikkene. Raman-teknikken kan bare analysere overflaten av materialer, mens røntgendiffraksjon kan gå gjennom hele tykkelsen av prøven.

Samlet sett viser dette resultatet at dannelsen av harde materialer som diamant ikke bare er et resultat av trykk og temperatur.

And other factors can induce material formation like the shear stress or factors that science doesn’t even know yet.

Kanskje vil vitenskapen kunne utnytte materialet fullt ut i fremtiden, når kompresjonsteknikken har etablert seg bedre og diamantproduksjonen blir billigere. 

_____

Er du allerede en Mind the Graph bruker? Hvis du ikke har det, kan du begynne å akkurat nå! Du kan også klikke på her to see our scientific Illustrations gallery, you don’t need to start your project from scratch! 

Relaterte artikler
logo-abonnement

Abonner på nyhetsbrevet vårt

Eksklusivt innhold av høy kvalitet om effektiv visuell
kommunikasjon innen vitenskap.

- Eksklusiv guide
- Tips om design
- Vitenskapelige nyheter og trender
- Veiledninger og maler