În noiembrie 2020, a fost publicat un articol care a raportat sinteza de a diamant nanocristalin și lonsdaleit la temperatura camerei, ceea ce până în prezent era considerat imposibil de realizat.

Sinteza a fost realizată la o presiune de 80 GPa, pornind de la un precursor de eșantion de carbon necristalin. Acest lucru a fost posibil numai cu presiuni și tensiuni de forfecare ridicate, ambele fiind "importante pentru promovarea formării fazelor, deoarece pot ajuta la depășirea barierelor cinetice", potrivit articolului.

Rezultatele studiului se bazează pe utilizarea unei tehnici de microscopie electronică foarte comune și foarte utilizate în cristalografie, care este domeniul experimental care studiază aranjamentul atomilor în solidele cristaline, în cazul articolului de față, diamantul și lonsdaleitul.

Diamantul, micuța (sau nu) și prețioasa bucată de rocă lucioasă, nu este doar o bijuterie scumpă, ci și un material extrem de important datorită proprietăților sale, care îi permit să fie folosit în medii normale și extreme.

Printre proprietățile utile se numără duritatea extremă, conductivitatea termică ridicată și, de asemenea, ar putea fi utilizat în aplicații biomedicale, printre altele.

Lonsdaleitul este un material asemănător cu diamantul, cu puține diferențe în structura cristalină în comparație cu diamantul, în timp ce diamantul are un structura cristalină cubică cu un carbon legat tetraedric, Lonsdaleitul are o structură de structură cristalină hexagonală, o formă mai puțin frecventă de rearanjare.

Majoritatea cercetărilor privind sinteza diamantului raportează necesitatea a două forme de excitație pentru a depăși bariera cinetică ridicată a schimbărilor de fază a materialului.

Presiunea înaltă și temperatura ridicată sunt de obicei folosite pentru a sintetiza diamantul și lonsdaleitul în laborator.

Oamenii de știință dispun astăzi de o diagramă care arată stările fizice ale unor materiale în funcție de temperatură și presiune, numită diagrama de fază. Foarte renumit și instrument de ghidare util pentru oamenii de știință pentru a ști ce temperatură și presiune sunt necesare pentru a atinge o anumită stare, cum ar fi solidă, lichidă sau gazoasă. În cazul atomilor de carbon, grafitul și diamantul sunt două exemple de stări solide.

Dacă vă uitați la diagrama de carbon, starea de diamant ar putea fi obținută la temperatura camerei peste presiunea de 2GPa, dar în realitate trebuie luați în considerare și alți factori, factori care pot cauza o diferență uriașă în rezultatul final. Unul dintre acești factori menționați în articol este tensiune de forfecare.

Tensiunea de forfecare este cunoscută ca un proces prin care straturi paralele alunecă unul prin altul. Un exemplu foarte simplu este atunci când vă apropiați mâinile și începeți să alunecați una peste alta - ca atunci când vă este frig și doriți să vă încălziți mâinile - această mișcare creează o tensiune de forfecare în mâini sau în materialul utilizat.

Tensiunea de forfecare poate favoriza schimbarea de fază a materialelor. Fără a lua în considerare temperatura, stresul de forfecare se dovedește a fi o componentă importantă a modului în care "diamantul se poate forma într-o gamă mult mai largă de medii, atât terestre, cât și extraterestre, decât se credea până acum", dar sunt necesare mult mai multe studii pentru a confirma efectele stresului de forfecare. Formarea lonsdaleitei a fost, de asemenea, asociată cu stresul de forfecare. 

Încercând să producă diamant și lonsdaleit la temperatura camerei, oamenii de știință au supus mostre de carbon sticlos la o compresie de 80×109Pa - aceasta este o presiune foarte mare, mult, mult mai mare decât presiunea pe care ai simțit-o la un test obișnuit în facultate.

Acest număr este echivalent cu o presiune de aproape 800 de mii de atmosfere - noi trăim sub o singură atmosferă.

Oamenii de știință au analizat rezultatele probei prin trei tipuri diferite de tehnici de microscopie electronică. Spectroscopia Raman, difracția de raze X și TEM (microscopia electronică de transmisie). Să analizăm fiecare dintre acestea.

The Spectroscopia Raman este o tehnică care oferă o amprentă structurală a unui anumit material folosind modurile de vibrație ale moleculelor.

Materialul eșantionului interacționează cu o lumină monocromatică - de obicei un laser - absorbind și emițând fotoni într-un mod de împrăștiere inelastică, cu alte cuvinte, vibrația moleculară a eșantionului absoarbe un număr de fotoni, cantitatea absorbită fiind diferită de cea emisă.

Această diferență este detectată, iar rezultatul final le permite oamenilor de știință să obțină informații structurale ale probei.

Difracția de raze X implică utilizarea unui fascicul de electroni în locul luminii monocromatice. În virtutea modelelor de dispunere a atomilor din structura cristalină, atunci când fasciculul de raze X ajunge la probă, acesta se difractează în mai multe unghiuri și direcții diferite.

Oamenii de știință pot măsura aceste unghiuri și intensități ale fasciculului difractat, transformând datele într-o imagine tridimensională cu pozițiile atomilor în cristal.

The TEM, microscopie electronică de transmisie este o tehnică de microscopie care utilizează un fascicul de electroni în loc de lumină, precum și difracția razelor X.

Proba este expusă la fasciculul de lumină, care trece prin ea și produce o imagine cu ajutorul unui detector de fluorescență.

Această tehnică necesită o pregătire a probei pe o grilă și este etichetată ca fiind o tehnică evazivă din cauza pierderii probei, aceasta fiind distrusă în timpul analizei.

După încercarea de a produce un diamant, cercetătorii au descoperit, prin Raman, că probele erau formate doar din material grafitic.

Cu toate acestea, modelele de difracție a razelor X au arătat un rezultat diferit, demonstrând prezența lonsdaleitului (12%), a diamantului (3%) și a grafitului (85%).

Aceste rezultate divergente se explică prin diferențele dintre cele două tehnici. Raman este capabil să analizeze doar suprafața materialelor, în timp ce difracția cu raze X poate parcurge întreaga grosime a probei.

În general, acest rezultat dovedește că formarea materialelor dure, cum ar fi diamantul, este rezultatul nu numai al presiunii și al temperaturii.

Și alți factori pot induce formarea materialului, cum ar fi stresul de forfecare sau factori pe care știința nici măcar nu îi cunoaște încă.

Poate că în viitor, când această tehnică de comprimare se va fi impus mai bine, ieftinind producția de diamante, știința va putea profita din plin de acest material. 

_____

Sunteți deja un Mind the Graph utilizator? Dacă nu, puteți începe chiar acum.! De asemenea, puteți face clic pe aici pentru a vedea galeria noastră de ilustrații științifice, nu trebuie să vă începeți proiectul de la zero! 

Articole conexe
logo-abonare

Abonează-te la newsletter-ul nostru

Conținut exclusiv de înaltă calitate despre vizuale eficiente
comunicarea în domeniul științei.

- Ghid exclusiv
- Sfaturi de design
- Știri și tendințe științifice
- Tutoriale și șabloane