Odkrycie w Chinach: stworzyli nowy rodzaj diamentu? Jest supertwardy

Naukowcy z Chin poinformowali o stworzeniu w laboratorium czystych próbek bardzo rzadkiej odmiany diamentu - tzw. diamentu heksagonalnego, nazywanego także lonsdaleitem. Ten niezwykły minerał był wcześniej obserwowany głównie w meteorytach i przez dziesięciolecia pozostawał trudny do jednoznacznego potwierdzenia. Badanie opublikowane kilka dni temu w "Nature" opisuje uzyskanie kilku czystych próbek tego diamentu o średnicy ok. 1,5 mm.

Ten rzadki materiał "ma potencjalne zastosowania w wielu dziedzinach, na przykład w narzędziach skrawających, materiałach do odprowadzania ciepła i czujnikach kwantowych" - powiedział Chong-Xin Shan, współautor nowego badania i fizyk z Uniwersytetu w Zhengzhou, w artykule dla "Nature".

Zwykły diament, określany jako diament kubiczny, uchodzi za najtwardszy naturalny materiał na Ziemi i wyznacza górną granicę w skali Mohsa, która mierzy odporność minerałów na zarysowanie. Jego atomy węgla tworzą regularną strukturę przestrzenną w formie sześcianu.

W przypadku diamentu heksagonalnego atomy węgla układają się jednak inaczej - w strukturę przypominającą plaster miodu złożony z sześciokątów. Już w latach 60. XX wieku naukowcy z Pittsburg Coal Research Center przewidywali, że taka struktura może powstać w ekstremalnych warunkach i potencjalnie być jeszcze twardsza niż klasyczny diament, ze względu na sposób, w jaki węgiel wiąże się z innymi atomami. W 1967 roku, badacze w laboratorium wyprodukowali diament heksagonalny, zwany lonsdaleitem, podejrzewając, że może być twardszy od klasycznego diamentu sześciennego.

Pierwsze ślady tego minerału znaleziono w meteorytach, które powstały z fragmentów zniszczonych planet karłowatych - diamentowo-bogatych meteorytach ureilitowych. Pierwsze odkrycia w naturze pochodziły z 1967 roku: meteoryty Canyon Diablo zawierały 30 proc. diamentu heksagonalnego, a meteoryty Goalpara - niewielkie ilości. Jednak przez lata część badaczy kwestionowała jego istnienie, sugerując, że obserwowane próbki mogą być jedynie nieregularnie ułożonymi strukturami zwykłego diamentu.

Największym problemem była dotąd czystość próbek. Lonsdaleit zwykle występował razem z grafitem, klasycznym diamentem i innymi minerałami. To utrudniało dokładne pomiary jego właściwości fizycznych.

Na potrzeby pracy badawczej chińscy naukowcy stworzyli czyste próbki diamentu heksagonalnego o średnicy 1,5 mm, umożliwiające pomiar jego właściwości. Okazało się, że jest twardszy, sztywniejszy i bardziej odporny na utlenianie niż diament sześcienny, co pozwala stosować go w wierceniu i przy wysokich temperaturach.

Badanie dostarcza również istotnych dowodów na to, że diament heksagonalny jest prawdziwym materiałem. Według badania: "analizy strukturalne i spektroskopowe, wsparte wielkoskalowymi symulacjami dynamiki molekularnej, jednoznacznie potwierdzają tożsamość HD (diamentu heksagonalnego)".

Naukowcy poddali uporządkowany grafit ogromnemu ciśnieniu i wysokiej temperaturze: przez 10 godzin przy ciśnieniu 20 gigapaskali (ok. 200 tys. razy większym niż ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza). Następnie zastosowali temperatury od 1300 do 1900 st. C. W badaniu zaznaczono, że przy wyższych temperaturach i ciśnieniach lonsdaleit zaczynał przechodzić w diament sześcienny. To jedna z obserwacji ważnych dla kontroli procesu wytwarzania.

Zdaniem badaczy materiał ten może znaleźć zastosowanie m.in. w narzędziach do wiercenia i cięcia, powłokach ściernych czy systemach odprowadzania ciepła w elektronice. Analiza jego obecności w meteorytach może również pomóc lepiej zrozumieć procesy zachodzące podczas powstawania ciał niebieskich w Układzie Słonecznym.

Zdaniem badaczy, heksagonalny diament mógłby ulepszać technologie, które dziś opierają się na klasycznym diamencie. Wśród przykładów wymieniono: narzędzia do wiercenia i cięcia, powłoki ścierne do polerowania, odprowadzanie ciepła z elektroniki.

Nowe badanie zapewnia również "praktyczną strategię produkcji HD (diamentu sześciokątnego) w postaci luzem", otwierając drogę dla większych próbek, bardziej naukowych badań i zastosowań przemysłowych nie jest już ograniczona twardością diamentu sześciennego.