Novembra 2020 je bil objavljen članek o sintezi a nanokristalnega diamanta in lonsdaleita pri sobni temperaturi, kar je do danes veljalo za nemogoče.

Sinteza je potekala pod tlakom 80 GPa iz vzorca nekristalnega ogljika. To je bilo mogoče le z visokim tlakom in strižno napetostjo, ki sta bila "pomembna za spodbujanje nastajanja faz, saj lahko pomagata premagati kinetične ovire", je navedeno v članku.

Rezultati študije temeljijo na uporabi zelo pogoste tehnike elektronske mikroskopije, ki se pogosto uporablja v kristalografiji, ki je eksperimentalno področje, ki preučuje razporeditev atomov v kristalnih trdnih snoveh, v primeru tega članka v diamantu in lonsdaleitu.

Diamant, majhen (ali pa tudi ne) in dragocen košček svetleče kamnine, ni le drag nakit, temveč tudi izjemno pomemben material zaradi svojih lastnosti, ki omogočajo uporabo v običajnih in ekstremnih okoljih.

Nekatere uporabne lastnosti so izjemna trdota, visoka toplotna prevodnost, med drugim pa se lahko uporablja tudi v biomedicinskih aplikacijah.

Lonsdaleit je diamantu podoben material z nekaj razlikami v kristalni strukturi v primerjavi z diamantom, medtem ko ima diamant kubična kristalna struktura s tetraedrično vezanim ogljikom, ima lonsdaleit heksagonalna kristalna struktura, ki je manj pogosta oblika preureditve.

Večina raziskav o sintezi diamantov poroča o potrebi po dveh oblikah vzbujanja, da bi presegli visoko kinetično oviro pri faznih spremembah materiala.

Za sintezo diamanta in lonsdaleita v laboratoriju se običajno uporabljata visok tlak in povišana temperatura.

Znanstveniki imajo danes diagram, ki prikazuje fizikalna stanja nekega materiala glede na temperaturo in tlak, imenovan fazni diagram. Zelo znani in uporabno vodilo za znanstvenike, da vedo, kakšna temperatura in tlak sta potrebna za doseganje določenega stanja, na primer trdnega, tekočega ali plinastega. Pri ogljikovih atomih sta grafit in diamant dva primera trdnih stanj.

Če si ogledate diagram ogljika, bi lahko stanje diamanta dosegli pri sobni temperaturi nad tlakom 2GPa, vendar je v resnici treba upoštevati druge dejavnike, ki lahko povzročijo veliko razliko v končnem rezultatu. Eden od teh dejavnikov, omenjenih v članku, je strižna napetost.

Strižna napetost je znana kot proces, pri katerem vzporedne plasti drsijo druga skozi drugo. Zelo preprost primer tega je, ko roke primete skupaj in začnete drsiti ena na drugo - na primer, ko vas zebe in si želite ogreti roke - to gibanje povzroči strižno napetost v rokah ali v uporabljenem materialu.

Strižna napetost lahko spodbuja fazno spremembo materialov. Brez upoštevanja temperature se strižni stres izkaže za pomembno sestavino tega, kako "lahko diamant nastane v veliko širšem razponu okolij, tako zemeljskih kot zunajzemeljskih, kot je veljalo prej", vendar je za potrditev učinkov strižnega stresa potrebnih še veliko študij. Tudi nastanek lonsdaleita je bil povezan s strižnim stresom. 

Znanstveniki so poskušali proizvesti diamant in lonsdaleit pri sobni temperaturi, zato so vzorce steklastega ogljika stisnili 80×109Pa - to je velik pritisk, veliko, veliko večji od tistega, ki ste ga čutili pri rednem testu na fakulteti.

To število ustreza skoraj 800 tisoč atmosferskim tlakom - živimo le v eni atmosferi.

Znanstveniki so rezultate vzorcev analizirali s tremi različnimi vrstami tehnik elektronske mikroskopije. Ramanova spektroskopija, rentgenska difrakcija in TEM (transmisijska elektronska mikroskopija). Oglejmo si vsako od njih.

Spletna stran Ramanova spektroskopija je tehnika, s katero se pridobi strukturni prstni odtis določenega materiala z uporabo vibracijski načini molekul.

Material vzorca interagira z monokromatsko svetlobo - običajno laserjem - in absorbira ter oddaja fotone na način neelastičnega sipanja, z drugimi besedami, molekularna vibracija vzorca absorbira določeno število fotonov, pri čemer se absorbirana količina razlikuje od emitirane.

Ta razlika se zazna, končni rezultat pa znanstvenikom omogoča, da dobijo strukturne informacije o vzorcu.

Difrakcija rentgenskih žarkov tehnika vključuje uporabo elektronskega žarka namesto monokromatske svetlobe. Zaradi vzorcev razporeditve atomov v kristalni strukturi se rentgenski žarek, ko doseže vzorec, razprši pod različnimi koti in v različnih smereh.

Znanstveniki lahko izmerijo te kote in intenzivnost razpršenega žarka ter podatke pretvorijo v tridimenzionalno sliko s položaji atomov v kristalu.

Spletna stran TEM, transmisijska elektronska mikroskopija je mikroskopska tehnika, ki namesto svetlobe uporablja snop elektronov in rentgensko difrakcijo.

Vzorec je izpostavljen žarkom, ki gredo skozi njega in s pomočjo detektorja fluorescence ustvarijo sliko.

Ta tehnika zahteva pripravo vzorca na mreži in je označena kot izogibna tehnika zaradi izgube vzorca, ki se med analizo uniči.

Po poskusu izdelave diamanta so raziskovalci s pomočjo Ramanove metode ugotovili, da so vzorci sestavljeni le iz grafitnega materiala.

Vendar so rentgenski difrakcijski vzorci pokazali drugačne rezultate, ki dokazujejo prisotnost lonsdaleita (12%), diamanta (3%) in grafita (85%).

Te različne rezultate je mogoče razložiti z razlikami v posameznih tehnikah. Ramanova tehnika lahko analizira le površino materialov, medtem ko lahko rentgenska difrakcija analizira celotno debelino vzorca.

Na splošno ta rezultat dokazuje, da nastanek trdih materialov, kot je diamant, ni odvisen le od tlaka in temperature.

Tudi drugi dejavniki lahko povzročijo nastanek materiala, kot je strižna napetost ali dejavniki, ki jih znanost še ne pozna.

Morda bo v prihodnosti, ko se bo ta tehnika stiskanja bolje uveljavila in pocenila proizvodnjo diamantov, znanost lahko v celoti izkoristila prednosti tega materiala. 

_____

Ali ste že Mind the Graph uporabnik? Če ne, lahko začnete prav zdaj! Kliknete lahko tudi na tukaj da si ogledate našo galerijo znanstvenih ilustracij, vam ni treba začeti projekta od začetka! 

Sorodni članki
logotip-odjava

Naročite se na naše novice

Ekskluzivna visokokakovostna vsebina o učinkovitih vizualnih
komuniciranje v znanosti.

- Ekskluzivni vodnik
- Nasveti za oblikovanje
- Znanstvene novice in trendi
- Učni listi in predloge