I november 2020 publicerades en artikel som rapporterade syntesen av a nanokristallin diamant och lonsdaleit vid rumstemperatur, något som fram till idag ansetts vara omöjligt att göra.

Syntesen utfördes under ett tryck av 80GPa från en icke-kristallin kolprekursor. Detta var endast möjligt med höga tryck och skjuvspänning, båda var "viktiga för att främja fasbildning eftersom de kan hjälpa till att övervinna kinetiska hinder", enligt artikeln.

Resultaten av studien bygger på användningen av en mycket vanlig elektronmikroskopiteknik som används inom kristallografi, vilket är det experimentella område som studerar atomernas placering i kristallina fasta ämnen, i det här fallet diamant och lonsdaleit.

Diamant, den lilla (eller inte) och dyrbara stenen, är inte bara dyra smycken utan också ett oerhört viktigt material på grund av dess egenskaper som gör att den kan användas i normala och extrema miljöer.

Några användbara egenskaper är extrem hårdhet, hög värmeledningsförmåga och det kan också användas i biomedicinska tillämpningar, bland andra.

Lonsdaleit är ett diamantliknande material med få skillnader i kristallstrukturen jämfört med diamant, medan diamant har en kubisk kristallstruktur med ett tetraedriskt bundet kol, har lonsdaleiten ett hexagonal kristallstruktur, en mindre vanlig form av omarrangemang.

Den mesta forskningen om diamantsyntes rapporterar behovet av två excitationsformer för att övervinna den höga kinetiska barriären för materialfasförändringar.

Högt tryck och förhöjd temperatur används vanligtvis för att syntetisera diamant och lonsdaleit i laboratoriet.

Forskare har idag ett diagram som visar de fysiska tillstånden för vissa material baserat på temperatur och tryck som kallas fasdiagram. Mycket känd och användbart guideverktyg för forskare som vill veta vilken temperatur och vilket tryck som krävs för att nå ett visst tillstånd, t.ex. fast, flytande eller gasformigt. I kolatomer är grafit och diamant två exempel på fasta tillstånd.

Om man tittar på koldiagramI den här artikeln sägs det att diamanttillståndet kan uppnås vid rumstemperatur över ett tryck på 2GPa, men i verkligheten måste andra faktorer beaktas, faktorer som kan orsaka en enorm skillnad i det slutliga resultatet. En av dessa faktorer som nämns i artikeln är skjuvspänning.

Skjuvspänning är känt som en process där parallella lager glider genom varandra. Ett mycket enkelt exempel på detta är när du håller ihop dina händer och börjar glida över varandra - som när du fryser och vill värma händerna - denna rörelse skapar skjuvspänning i händerna eller i det material som används.

Skjuvspänningen kan främja fasförändringen hos material. Om man bortser från temperaturen visar sig skjuvspänningen vara en viktig komponent i hur "diamanten kan bildas i ett mycket större antal miljöer, både markbundna och utomjordiska, än vad man tidigare trott", men många fler studier behövs för att bekräfta skjuvspänningens effekter. Bildandet av lonsdaleit har också förknippats med skjuvspänning. 

I ett försök att tillverka diamant och lonsdaleit vid rumstemperatur utsatte forskarna glasartade kolprover för en kompression på 80×109Pa - det är mycket press, mycket, mycket mer än den press du kände under ett vanligt prov i college.

Detta antal motsvarar nästan 800 tusen atmosfärers tryck - vi lever bara under en atmosfär.

Forskarna analyserade provresultaten med hjälp av tre olika typer av elektronmikroskopiska tekniker. Ramanspektroskopi, röntgendiffraktion och TEM (transmissionselektronmikroskopi). Låt oss kolla in var och en av dessa.

Den Ramanspektroskopi är en teknik som ger ett strukturellt fingeravtryck av ett specifikt material med hjälp av molekylers vibrationsmoder.

Provmaterialet interagerar med ett monokromatiskt ljus - vanligtvis en laser - och absorberar och avger fotoner på ett inelastiskt spridningssätt, med andra ord absorberar provets molekylära vibration ett antal fotoner, den absorberade mängden skiljer sig från den som avges.

Denna skillnad upptäcks och det slutliga resultatet gör det möjligt för forskarna att få strukturell information om provet.

Röntgendiffraktion teknik innebär att en elektronstråle används istället för monokromatiskt ljus. När röntgenstrålen når provet diffrakteras den i många olika vinklar och riktningar på grund av atomernas arrangemangsmönster i kristallstrukturen.

Forskarna kan mäta dessa vinklar och intensiteten hos den diffrakterade strålen och omvandla data till en tredimensionell bild med atomernas positioner i kristallen.

Den TEM, Transmissionselektronmikroskopi är en mikroskopiteknik som använder en elektronstråle i stället för ljus samt röntgendiffraktion.

Provet exponeras för strålen, som passerar genom det och ger en bild med hjälp av en fluorescensdetektor.

Denna teknik kräver en provberedning på ett rutnät och den betecknas som en undvikande teknik på grund av provförlust, som förstörs under analysen.

Efter försöket att tillverka en diamant upptäckte forskarna genom Raman att proverna endast bestod av grafitiskt material.

Röntgendiffraktionsmönstren visade dock ett annat resultat och påvisade förekomsten av lonsdaleit (12%), diamant (3%) och grafit (85%).

Dessa avvikande resultat förklaras av skillnader i de olika teknikerna. Raman kan endast analysera materialets yta, medan röntgendiffraktion kan gå igenom hela provets tjocklek.

Sammantaget visar detta resultat att bildandet av hårda material som en diamant inte bara är ett resultat av tryck och temperatur.

Även andra faktorer kan orsaka materialbildning, t.ex. skjuvspänning eller faktorer som vetenskapen ännu inte ens känner till.

Kanske kommer vetenskapen i framtiden, när denna komprimeringsteknik har etablerat sig bättre och gjort diamantproduktionen billigare, att kunna dra full nytta av materialet. 

_____

Är du redan en Mind the Graph användare? Om du inte gör det kan du börja just nu! Du kan också klicka på här för att se vårt galleri med vetenskapliga illustrationer behöver du inte starta ditt projekt från noll! 

Relaterade artiklar
logotyp-abonnemang

Prenumerera på vårt nyhetsbrev

Exklusivt innehåll av hög kvalitet om effektiv visuell
kommunikation inom vetenskap.

- Exklusiv vägledning
- Tips för design
- Vetenskapliga nyheter och trender
- Handledningar och mallar