Kitajski znanstveniki so uspešno sintetizirali šestkotni diamant z velikostjo 100 mikrometrov

Po skoraj desetih letih neprekinjenih raziskav je Mednarodna raziskovalna skupina Pekinga visokonapetostnega znanstvenega raziskovalnega centra in Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics, Kitajska akademija znanosti, naredila velik preboj. Raziskovalci so uspešno preoblikovali visokokakovosten grafitni enkratni predhodnik kristala v šestkotni diamant na ravni mikrometra, ta dosežek pa je bil objavljen v mednarodni avtoritativni reviji Nature 30..

 

Šesterokotni diamant ima mehanske lastnosti, primerljive s kubičnim diamantom. Za razliko od kubičnih diamantov z samo eno samo dolžino ogljikovega ogljikovega vezi imajo šesterokotni diamanti dve različni značilnosti porazdelitve dolžine vezi. Poroča se, da se razmik medplasti znatno skrajša, ta edinstvena metoda zlaganja ogljikovih atomov pa lahko učinkovito premaga inherentno šibkost drsenja na gosto zlaganje površine kubičnega diamanta.

 

Sinteza šesterokotnega diamanta je bila vedno velik izziv v znanstveni skupnosti. Ameriški znanstveniki so že leta 1967 prvič odkrili ta redki "super diamant" v kraterju meteorita, ki je pritegnil veliko pozornosti zaradi njegove šesterokotne kristalne strukture. Vendar so pogoji tvorbe šesterokotnih diamantov izjemno strogi, prej pa so lahko soobstajali le z meteoriti na nanoskalnici.

 

Raziskovalna skupina je inovativno zasnovala visokotemperaturni in visokotlačni eksperimentalni načrt. Znanstveniki so in-situ opravili raziskave o strukturnih spremembah grafita pod ultra visokim tlakom in visokimi temperaturnimi pogoji z uporabo laserske ogrevane tehnologije diamantov. Poskusi so ugotovili, da grafit tvori visokotlačno strukturo "post grafitne faze" v visokotlačnem območju, nato pa se z lokalnim ogrevanjem uspešno pridobi šesterokotni diamant.

 

Hkrati je raziskovalna skupina združila obsežne teorije molekularne dinamike, da bi razkrila ključno vlogo konfiguracije konfiguracije grafitnega sloja pri tvorbi šesterokotnih diamantnih struktur. To odkritje potrjuje novo pot za grafit, ki tvori šesterokotni diamant s pomočjo post grafitne faze in odpira nove tehnološke smeri za pripravo nadstropnih materialov.

 

Eksperimentalni podatki kažejo, da ima sintetizirani šestkotni diamant trdoto do 155 gpa, kar presega naravni diamant za več kot 40%. V vakuumskem okolju lahko njegova toplotna stabilnost doseže 1100 stopinj, kar je bistveno boljša od uspešnosti nanodiamodov 900 stopinj. Zaradi teh odličnih fizikalnih lastnosti je šesterokotni diamant velik potencial v industrijskih aplikacijah.

 

Ta sistematična študija je končala več kot 60 let akademske polemike glede makroskopskega obstoja šesterokotnih diamantov. Rezultati raziskav ne zagotavljajo le močnih dokazov za neodvisni obstoj šesterokotnega diamanta, ampak so tudi trdni temelj za njen razvoj kot nova generacija visokozmogljivih funkcionalnih materialov. Pričakuje se, da bo ta preboj spodbudil tehnološke inovacije na področju nadstropnih materialov in vbrizgal nov zagon v razvoj povezanih panog.

 

Kaj jeŠesterokotni diamant?

Šesterokotni diamant (HD), imenovan tudi Lonsdaleite, je šesterokotni alotrop ogljika, v katerem je vsak ogljikov atom sp³ hibridiziran in tetraedralno vezan na štiri sosede, ki tvori tridimenzionalni kovalentni okvir. Prvič predvideno leta 1962 in ga leta 1967 opredelil v meteoritskem materialu iz Canyon Diablo (Arizona), je bil poimenovan po kristalograf Kathleen Lonsdale. Desetletja so bili na voljo samo nanoskalni fragmenti ali neurejene rastoče, zato so njen obstoj kot različna faza in njegove lastne lastnosti ostali sporni. Leta 2025 je ekipa, ki jo je vodil prof. Ho-Kwang (Dave) Mao v Centru za visokotlačno znanost in tehnologijo, napredne raziskave sintetizirala milimetrsko veliko, zelo urejeno enofazno lonsdaleit s stiskanjem in ogrevanjem visokokakovostnih grafitnih enojnih kristalov pod nadzorovanimi kvazi-hidrostatičnimi pritiski. Elektronska mikroskopija je razkrila neposredno pretvorbo grafita (1010) v HD (0002) in grafit (0002) v HD (1010). Nastali vzorci so skoraj čisti lonsdaleit z le okvarami kubičnih-diamantov v sledovih in kažejo trdoto, ki je nekoliko presežena s kubičnim diamantom.

 

Kako se Lonsdaleite razlikuje od kubičnega diamanta?

Lonsdaleite (šesterokotni diamant) se od kubičnega diamanta razlikuje na štiri ključne načine:

1 kristalna simetrija in zlaganje
• Lonsdaleite: šesterokotna rešetka, vesoljska skupina P6₃/MMC; Ogljikove plasti, vezane na SP³, so zložene v zaporedje AB-AB vzdolž osi C.
• kubični diamant: kubična rešetka, ki se osredotoča na obraz, vesoljska skupina FD-3M; Sloji sledijo zaporedju ABC-ABC.

 

2 parametra rešetke
• Lonsdaleite: a ≈ 2,51 Å, c ≈ 4,12 Å.
• Kubični diamant: a=3.5668 Å.

 

3 stabilnost in energija
• Lonsdaleite je ~ 0,025 eV na atom, višji v energiji kot kubični diamant, zaradi česar je metastabilen.

 

4 Mehanske lastnosti
• Teorija in nedavne enokristalne sinteze MM-lestvice kažejo, da je lonsdaleit nekoliko težji (odpornost na vdolbino ~ 152 GPa, 58 %

Težje na ravnini {0001} vs diamant {111}).
• Kubični diamant ostaja merilo za trdoto (MOHS 10) in je lažje sintetiziran v obliki v razsutem stanju.

 

Posledično mu šesterokotno zlaganje Lonsdaleite in nekoliko daljša geometrija vezi dajeta nekoliko boljše teoretično trdoto, medtem ko kubični diamant ponuja večjo termodinamično stabilnost in enostavnost proizvodnje.