In november 2020 werd een artikel gepubliceerd over de synthese van a nanokristallijn diamant en lonsdaleiet bij kamertemperatuur, iets wat tot op heden voor onmogelijk werd gehouden.
De synthese werd uitgevoerd onder een druk van 80GPa van een niet-kristallijne koolstofstaalvoorloper. Dit was alleen mogelijk bij hoge druk en schuifspanning, die beide "belangrijk zijn om de fasevorming te bevorderen, omdat zij kinetische barrières kunnen helpen overwinnen", volgens het artikel.
De resultaten van de studie berusten op het gebruik van een zeer gebruikelijke elektronenmicroscopietechniek die vrij gangbaar is in de kristallografie, het experimentele veld dat de ordening van de atomen in kristallijne vaste stoffen bestudeert, in het geval van dit artikel Diamant en Lonsdaleite.
Diamant, het kleine (of niet) en kostbare stukje glimmend gesteente, is niet alleen een duur sieraad, maar ook een immens belangrijk materiaal vanwege zijn eigenschappen, waardoor het in normale en extreme omgevingen kan worden gebruikt.
Enkele nuttige eigenschappen zijn, extreme hardheid, hoge thermische geleidbaarheid en het zou ook kunnen worden gebruikt in onder andere biomedische toepassingen.
Lonsdaleite is een diamantachtig materiaal met weinig verschillen in de kristalstructuur in vergelijking met diamant, terwijl de diamant een kubische kristalstructuur met een tetrahedraal gebonden koolstof, heeft de Lonsdaleite een hexagonale kristalstructuureen minder gebruikelijke vorm van herschikking.
Het meeste onderzoek naar diamantsynthese meldt de noodzaak van twee excitatievormen om de hoge kinetische barrière van materiaalfaseveranderingen te overwinnen.
Voor de synthese van diamant en lonsdaleiet in het laboratorium wordt gewoonlijk gebruik gemaakt van hoge druk en verhoogde temperatuur.
Wetenschappers hebben tegenwoordig een diagram dat de fysische toestand van een materiaal weergeeft op basis van temperatuur en druk, de zogenaamde fase diagram. Zeer beroemd en nuttig hulpmiddel voor wetenschappers om te weten welke temperatuur en druk nodig zijn om een bepaalde toestand te bereiken, zoals vast, vloeibaar of gasvormig. Bij koolstofatomen zijn grafiet en diamant twee voorbeelden van vaste toestanden.
Als je kijkt naar de koolstofdiagramde diamanttoestand zou kunnen worden bereikt bij kamertemperatuur boven de druk van 2GPa, maar in werkelijkheid moeten andere factoren in aanmerking worden genomen, factoren die een enorm verschil in het eindresultaat kunnen veroorzaken. Een van deze in het artikel genoemde factoren is schuifspanning.
Schuifspanning staat bekend als een proces waarbij parallelle lagen door elkaar heen glijden. Een heel eenvoudig voorbeeld daarvan is wanneer je je handen tegen elkaar legt en over elkaar begint te glijden - zoals wanneer je het koud hebt en je je handen wilt opwarmen - deze beweging creëert schuifspanning in de handen of in het gebruikte materiaal.
De schuifspanning kan de faseverandering van materialen bevorderen. Afgezien van de temperatuur blijkt schuifspanning een belangrijke component te zijn van hoe "diamant kan worden gevormd in een veel breder scala van omgevingen, zowel terrestrisch als buitenaards, dan voorheen werd aangenomen", maar er zijn nog veel meer studies nodig om de schuifspanningseffecten te bevestigen. De vorming van lonsdaleiet is ook in verband gebracht met schuifspanning.
In een poging om diamant en lonsdaleiet bij kamertemperatuur te produceren, zetten wetenschappers glasachtige koolstofmonsters onder een compressie van 80×109Pa - dat is veel druk, veel, veel meer dan de druk die je voelde bij een gewone test op de universiteit.
Dit aantal komt overeen met bijna 800 duizend atmosfeerdruk - we leven onder slechts één atmosfeer.
De wetenschappers analyseerden de resultaten van het monster via drie verschillende soorten elektronenmicroscopietechnieken. Raman spectroscopie, röntgendiffractie en TEM (transmissie elektronenmicroscopie). Laten we ze allemaal eens bekijken.
De Raman spectroscopie is een techniek die een structurele vingerafdruk geeft van een specifiek materiaal met behulp van de trillingsmodi van moleculen.
Het monstermateriaal staat in wisselwerking met een monochromatisch licht - gewoonlijk een laser - en absorbeert en zendt fotonen uit op een inelastische manier, met andere woorden, de moleculaire trilling van het monster absorbeert een aantal fotonen, waarbij de geabsorbeerde hoeveelheid verschilt van de uitgezonden hoeveelheid.
Dit verschil wordt gedetecteerd en het eindresultaat stelt wetenschappers in staat structurele informatie van het monster te verkrijgen.
De röntgendiffractie techniek maakt gebruik van een elektronenbundel in plaats van monochromatisch licht. Wanneer de röntgenstraal het monster bereikt, diffracteert deze in vele verschillende hoeken en richtingen.
Wetenschappers kunnen deze hoeken en intensiteiten van de gebroken bundel meten en de gegevens omzetten in een driedimensionaal beeld met de posities van het atoom in het kristal.
De TEM, transmissie-elektronenmicroscopie is een microscopietechniek die gebruik maakt van een bundel elektronen in plaats van licht en van röntgendiffractie.
Het monster wordt blootgesteld aan de bundel, die er doorheen gaat en een beeld oplevert met behulp van een fluorescentiedetector.
Deze techniek vereist een monstervoorbereiding op een rooster en wordt bestempeld als een ontwijkende techniek wegens monsterverlies, dat tijdens de analyse wordt vernietigd.
Na de poging om een diamant te produceren, ontdekten de onderzoekers via Raman dat de monsters alleen uit grafiet bestonden.
De röntgendiffractiepatronen lieten echter een ander resultaat zien, waarbij de aanwezigheid van lonsdaleiet (12%), diamant (3%) en grafiet (85%) werd aangetoond.
Deze uiteenlopende resultaten worden verklaard door de verschillen tussen de technieken. Raman kan alleen het oppervlak van materialen analyseren, terwijl röntgendiffractie door de gehele dikte van het monster kan gaan.
In het algemeen bewijst dit resultaat dat de vorming van harde materialen zoals diamant niet alleen het gevolg is van druk en temperatuur.
En andere factoren kunnen materiaalvorming veroorzaken, zoals de schuifspanning of factoren die de wetenschap nog niet eens kent.
Misschien zal de wetenschap in de toekomst, wanneer deze compressietechniek zich beter gevestigd heeft en de diamantproductie goedkoper wordt, het materiaal ten volle kunnen benutten.
_____
Ben je al een Mind the Graph gebruiker? Als u dat niet doet, kunt u beginnen op dit moment! U kunt ook klikken op hier om onze galerij met wetenschappelijke illustraties te bekijken, hoeft u niet vanaf nul te beginnen met uw project!
Abonneer u op onze nieuwsbrief
Exclusieve inhoud van hoge kwaliteit over effectieve visuele
communicatie in de wetenschap.
