V novembri 2020 bol publikovaný článok, v ktorom sa uvádza syntéza a nanokryštalického diamantu a lonsdaleitu pri izbovej teplote, čo sa doteraz považovalo za nemožné.

Syntéza sa uskutočnila pod tlakom 80 Pa z nekryštalického uhlíkového prekurzora. Bolo to možné len pri vysokom tlaku a šmykovom napätí, pričom oboje bolo "dôležité na podporu tvorby fáz, pretože môže pomôcť prekonať kinetické bariéry", podľa článku.

Výsledky štúdie spočívajú v použití veľmi bežnej techniky elektrónovej mikroskopie, ktorá sa pomerne často používa v kryštalografii, čo je experimentálna oblasť, ktorá skúma usporiadanie atómov v kryštalických pevných látkach, v prípade tohto článku v diamante a lonsdaleite.

Diamant, malý (alebo nie) a vzácny kúsok lesklej horniny, nie je len drahým šperkom, ale aj nesmierne dôležitým materiálom vďaka svojim vlastnostiam, ktoré umožňujú jeho použitie v bežných aj extrémnych prostrediach.

Medzi jeho užitočné vlastnosti patrí extrémna tvrdosť, vysoká tepelná vodivosť a okrem iného by sa dal použiť aj v biomedicínskych aplikáciách.

Lonsdaleit je materiál podobný diamantu s malými rozdielmi v kryštálovej štruktúre v porovnaní s diamantom, zatiaľ čo diamant má kubická kryštálová štruktúra s tetraédricky viazaným uhlíkom, lonsdaleit má hexagonálna kryštálová štruktúra, čo je menej častá forma preskupenia.

Väčšina výskumov o syntéze diamantu uvádza potrebu dvoch foriem excitácie na prekonanie vysokej kinetickej bariéry fázových zmien materiálu.

Na syntézu diamantu a lonsdaleitu v laboratóriu sa zvyčajne používa vysoký tlak a zvýšená teplota.

Vedci dnes majú diagram, ktorý zobrazuje fyzikálne stavy určitého materiálu v závislosti od teploty a tlaku, tzv. fázový diagram. Veľmi slávny a užitočný nástroj pre vedcov, aby vedeli, aká teplota a tlak sú potrebné na dosiahnutie určitého stavu, napríklad pevného, kvapalného alebo plynného. V atómoch uhlíka sú grafit a diamant dva príklady pevných stavov.

Ak sa pozriete na uhlíkový diagram, stav diamantu by sa dal dosiahnuť pri izbovej teplote nad tlakom 2GPa, ale v skutočnosti je potrebné zohľadniť ďalšie faktory, ktoré môžu spôsobiť obrovský rozdiel v konečnom výsledku. Jedným z týchto faktorov uvedených v článku je šmykové napätie.

Smykové napätie je známe ako proces, pri ktorom sa paralelné vrstvy navzájom posúvajú. Veľmi jednoduchým príkladom je, keď si dáte ruky k sebe a začnete po sebe kĺzať - napríklad keď je vám zima a chcete si zohriať ruky - tento pohyb vytvára strihové napätie v rukách alebo v použitom materiáli.

Smykové napätie môže podporovať fázovú zmenu materiálov. Ak neberieme do úvahy teplotu, ukazuje sa, že šmykové napätie je dôležitou zložkou toho, ako "môže diamant vzniknúť v oveľa širšom rozsahu prostredí, pozemských aj mimozemských, ako sa doteraz predpokladalo", ale na potvrdenie účinkov šmykového napätia je potrebných ešte mnoho štúdií. Vznik lonsdaleitu bol tiež spojený so strihovým napätím. 

Pri snahe vyrobiť diamant a lonsdaleit pri izbovej teplote vedci stlačili vzorky sklovitého uhlíka 80×109Pa - to je veľký tlak, oveľa, oveľa väčší ako tlak, ktorý ste pociťovali pri bežnom teste na vysokej škole.

Toto číslo zodpovedá takmer 800-tisíc atmosférickým tlakom - žijeme len v jednej atmosfére.

Vedci analyzovali výsledky vzoriek pomocou troch rôznych typov techník elektrónovej mikroskopie. Ramanova spektroskopia, röntgenová difrakcia a TEM (transmisná elektrónová mikroskopia). Pozrime sa na každú z nich.

Stránka Ramanova spektroskopia je technika, ktorá poskytuje štrukturálny odtlačok konkrétneho materiálu pomocou vibračné režimy molekúl.

Materiál vzorky interaguje s monochromatickým svetlom - zvyčajne laserom - a absorbuje a emituje fotóny spôsobom nepružného rozptylu, inými slovami, molekulárne vibrácie vzorky absorbujú určitý počet fotónov, pričom absorbované množstvo sa líši od emitovaného.

Tento rozdiel sa zisťuje a konečný výsledok umožňuje vedcom získať štrukturálne informácie o vzorke.

Difrakcia röntgenového žiarenia technika zahŕňa použitie elektrónového lúča namiesto monochromatického svetla. Vzhľadom na vzory usporiadania atómov v kryštálovej štruktúre, keď röntgenový lúč dosiahne vzorku, difraktuje v mnohých rôznych uhloch a smeroch.

Vedci môžu merať tieto uhly a intenzitu difraktovaného lúča a transformovať údaje do trojrozmerného obrazu s polohou atómov v kryštáli.

Stránka TEM, transmisná elektrónová mikroskopia je mikroskopická technika, ktorá namiesto svetla využíva lúč elektrónov a röntgenovú difrakciu.

Vzorka je vystavená lúču, ktorý ňou prechádza a pomocou fluorescenčného detektora vytvára obraz.

Táto technika si vyžaduje prípravu vzorky na mriežke a je označovaná ako vyhýbavá technika z dôvodu straty vzorky, ktorá sa počas analýzy zničí.

Po pokuse o výrobu diamantu výskumníci pomocou Ramanovej metódy zistili, že vzorky pozostávajú len z grafitického materiálu.

Röntgenové difrakčné vzory však ukázali iný výsledok, ktorý dokazuje prítomnosť lonsdaleitu (12%), diamantu (3%) a grafitu (85%).

Tieto rozdielne výsledky sa vysvetľujú rozdielmi v jednotlivých technikách. Ramanova metóda je schopná analyzovať len povrch materiálov, zatiaľ čo röntgenová difrakcia môže prechádzať celou hrúbkou vzorky.

Celkovo tento výsledok dokazuje, že vznik tvrdých materiálov, ako je diamant, nie je len výsledkom tlaku a teploty.

Tvorbu materiálu môžu vyvolať aj iné faktory, ako napríklad strihové napätie alebo faktory, ktoré veda ešte nepozná.

Možno v budúcnosti, keď sa táto kompresná technika lepšie presadí a zlacní výrobu diamantov, bude môcť veda tento materiál naplno využiť. 

_____

Ste už Mind the Graph používateľ? Ak nie, môžete začať práve teraz! Môžete tiež kliknúť na tu pozrieť si našu galériu vedeckých ilustrácií, nemusíte začínať svoj projekt od nuly! 

Súvisiace články
logo-odhláška

Prihláste sa na odber nášho newslettera

Exkluzívny vysokokvalitný obsah o efektívnom vizuálnom
komunikácia vo vede.

- Exkluzívny sprievodca
- Tipy na dizajn
- Vedecké novinky a trendy
- Návody a šablóny