W listopadzie 2020 r. opublikowano artykuł przedstawiający syntezę a nanokrystalicznego diamentu i lonsdaleitu w temperaturze pokojowej, co do tej pory uważano za niemożliwe do wykonania.

Syntezę przeprowadzono pod ciśnieniem 80GPa z niekrystalicznego prekursora węglowego. Było to możliwe tylko przy wysokim ciśnieniu i naprężeniu ścinającym, które są "ważne dla promowania tworzenia faz, ponieważ mogą pomóc w przezwyciężeniu barier kinetycznych", zgodnie z artykułem.

Wyniki badania opierają się na wykorzystaniu bardzo powszechnej techniki mikroskopii elektronowej, dość często stosowanej w krystalografii, która jest dziedziną eksperymentalną badającą układ atomów w krystalicznych ciałach stałych, w przypadku niniejszego artykułu, diamentu i lonsdaleitu.

Diament, mały (lub nie) i cenny kawałek błyszczącej skały, to nie tylko droga biżuteria, ale także niezwykle ważny materiał ze względu na swoje właściwości, pozwalające na stosowanie go w normalnych i ekstremalnych warunkach.

Niektóre z przydatnych właściwości to ekstremalna twardość, wysoka przewodność cieplna, a także może być stosowany między innymi w zastosowaniach biomedycznych.

Lonsdaleit jest materiałem diamentopodobnym z niewielkimi różnicami w strukturze krystalicznej w porównaniu z diamentem, podczas gdy diament ma Sześcienna struktura krystaliczna z tetraedrycznie związanym węglem, Lonsdaleite ma Sześciokątna struktura krystalicznaJest to mniej powszechna forma rearanżacji.

Większość badań nad syntezą diamentów wskazuje na potrzebę dwóch form wzbudzenia, aby przekroczyć wysoką barierę kinetyczną przemian fazowych materiału.

Wysokie ciśnienie i podwyższona temperatura są zwykle wykorzystywane do syntezy diamentu i lonsdaleitu w laboratorium.

Naukowcy dysponują dziś wykresem, który pokazuje stany fizyczne niektórych materiałów w zależności od temperatury i ciśnienia, zwanym wykres fazowy. Bardzo znany i Przydatne narzędzie dla naukowców, aby dowiedzieć się, jaka temperatura i ciśnienie są potrzebne do osiągnięcia określonego stanu, takiego jak stały, ciekły lub gazowy. W przypadku atomów węgla, grafit i diament to dwa przykłady stanów stałych.

Jeśli spojrzeć na wykres węglaDiamentowy stan można osiągnąć w temperaturze pokojowej powyżej ciśnienia 2GPa, ale w rzeczywistości należy wziąć pod uwagę inne czynniki, które mogą spowodować ogromną różnicę w końcowym wyniku. Jednym z tych czynników wymienionych w artykule jest naprężenie ścinające.

Naprężenie ścinające jest znane jako proces, w którym równoległe warstwy ślizgają się po sobie. Bardzo prostym przykładem jest sytuacja, w której przykładamy do siebie dłonie i zaczynamy przesuwać jedną po drugiej - np. gdy jest nam zimno i chcemy rozgrzać dłonie - ruch ten powoduje powstanie naprężeń ścinających w dłoniach lub w używanym materiale.

Naprężenie ścinające może sprzyjać przemianom fazowym materiałów. Nie biorąc pod uwagę temperatury, naprężenie ścinające okazuje się być ważnym składnikiem tego, jak "diament może powstawać w znacznie szerszym zakresie środowisk, zarówno ziemskich, jak i pozaziemskich, niż wcześniej sądzono", ale potrzeba wielu dalszych badań, aby potwierdzić efekty naprężenia ścinającego. Tworzenie się lonsdaleitu było również związane z naprężeniami ścinającymi. 

Próbując wyprodukować diament i lonsdaleit w temperaturze pokojowej, naukowcy poddali próbki węgla szklistego kompresji 80×109Pa - to duża presja, dużo, dużo większa niż ta, którą odczuwałeś pod zwykłym testem na studiach.

Liczba ta odpowiada ciśnieniu prawie 800 tysięcy atmosfer - żyjemy tylko w jednej atmosferze.

Naukowcy przeanalizowali wyniki próbek za pomocą trzech różnych rodzajów technik mikroskopii elektronowej. Spektroskopia Ramana, dyfrakcja rentgenowska i TEM (transmisyjna mikroskopia elektronowa). Sprawdźmy każdy z nich.

The Spektroskopia Ramana to technika, która zapewnia strukturalny odcisk palca określonego materiału przy użyciu tryby wibracyjne cząsteczek.

Materiał próbki oddziałuje ze światłem monochromatycznym - zwykle laserem - pochłaniając i emitując fotony w sposób nieelastyczny, innymi słowy, drgania molekularne próbki pochłaniają pewną liczbę fotonów, przy czym ilość pochłonięta różni się od ilości wyemitowanej.

Różnica ta jest wykrywana, a ostateczny wynik pozwala naukowcom uzyskać informacje strukturalne próbki.

Dyfrakcja rentgenowska Technika ta polega na wykorzystaniu wiązki elektronów zamiast światła monochromatycznego. Ze względu na układ atomów w strukturze krystalicznej, gdy wiązka promieniowania rentgenowskiego dociera do próbki, ulega dyfrakcji pod wieloma różnymi kątami i w różnych kierunkach.

Naukowcy mogą zmierzyć te kąty i intensywność rozproszonej wiązki, przekształcając dane w trójwymiarowy obraz z pozycjami atomów w krysztale.

The TEM, transmisyjna mikroskopia elektronowa to technika mikroskopii wykorzystująca wiązkę elektronów zamiast światła, a także dyfrakcję promieniowania rentgenowskiego.

Próbka jest wystawiona na działanie wiązki, która przechodzi przez nią, tworząc obraz za pomocą detektora fluorescencji.

Technika ta wymaga przygotowania próbki na siatce i jest określana jako technika unikania ze względu na utratę próbki, która jest niszczona podczas analizy.

Po próbie wytworzenia diamentu naukowcy odkryli za pomocą Ramana, że próbki składały się wyłącznie z materiału grafitowego.

Jednak wzory dyfrakcji rentgenowskiej wykazały inny wynik, wykazując obecność lonsdaleitu (12%), diamentu (3%) i grafitu (85%).

Te rozbieżne wyniki można wyjaśnić różnicami w każdej technice. Raman jest w stanie analizować tylko powierzchnię materiałów, podczas gdy dyfrakcja rentgenowska może przejść przez całą grubość próbki.

Ogólnie rzecz biorąc, wynik ten dowodzi, że powstawanie twardych materiałów, takich jak diament, jest wynikiem nie tylko ciśnienia i temperatury.

Inne czynniki mogą indukować formowanie się materiału, takie jak naprężenia ścinające lub czynniki, których nauka jeszcze nie zna.

Być może w przyszłości, gdy ta technika kompresji ugruntuje swoją pozycję, obniżając koszty produkcji diamentów, nauka będzie w stanie w pełni wykorzystać ten materiał. 

_____

Czy jesteś już Mind the Graph użytkownika? Jeśli nie, możesz zacząć teraz! Możesz także kliknąć tutaj aby zobaczyć naszą galerię ilustracji naukowych, nie musisz zaczynać swojego projektu od zera! 

Powiązane artykuły
logo-subskrybuj

Zapisz się do naszego newslettera

Ekskluzywne, wysokiej jakości treści na temat skutecznych efektów wizualnych
komunikacja w nauce.

- Ekskluzywny przewodnik
- Wskazówki dotyczące projektowania
- Wiadomości naukowe i trendy
- Samouczki i szablony