Čisti heksagonalni dijamanti (lonsdaleit) sintetisani u laboratoriji — tvrđi od prirodnih dijamanata

Dijamanti su već dugo sinonim za izuzetnu tvrdoću, ali novi rad tima sa Henan Key Laboratory of Diamond Materials and Devices pokazuje da postoji drugi kristalni oblik ugljenika koji može biti još otporniji. Istraživači na čelu sa Shoulongom Laiom uspeli su da u laboratoriji sintetizuju čiste, milimetarske uzorke heksagonalnog dijamanta (lonsdaleit) i detaljno ih karakterišu.

Atomic structure of the bulk HD recovered from 20 GPa and 1,300 °C. (CREDIT: Nature)

Kako je nastao uzorak

Ključna sirovina bila je Highly Oriented Pyrolytic Graphite (HOPG) — grafit sa ravnim, jednako orijentisanim slojevima ugljenika. Materijal je izložen ekstremnim uslovima: pritisak ~20 GPa (oko 200.000 atm) i temperature između 1.300 °C i 1.900 °C. Sila je primenjivana duž c-ose grafitnih slojeva, što je omogućilo direktnu reorijentaciju slojeva i nastanak ABAB heksagonalnog slaganja.

Large-scale molecular dynamics simulations of the transformation process from HOPG to HD based on machine learning potential. (CREDIT: Nature)

Kako su potvrdili strukturu

Uzorci su analizirani kombinacijom naprednih tehnika:

a, Cross-sectional TEM image of the HOPG precursor. b, High-resolution TEM image of the area marked by the dashed box in a. The ellipse regions indicate the localized defects in the HOPG. (CREDIT: Nature)

• Sinhrontronska rendgenska difrakcija (XRD) — difrakcioni vrhovi su odgovarali heksagonalnoj strukturi P63/mmc, što ukazuje na autentičan heksagonalni kristal, a ne mešavinu faza.
• Atomska rezolucija u TEM/STM — direktno je viđen ABAB obrazac slaganja i šestostruka simetrija heksagonalne rešetke.
• Kompletna analiza — u analiziranim zonama nije nađeno zagađenje grafitom ili kubnim dijamantom.

Mehanizam transformacije

Molekularno-dinamčke simulacije sugerišu da pod pritiskom prvo nastaje međuslojno vezivanje između susednih grafitnih listova, što sprečava njihovo relativno pomeranje koje bi vodilo ka formiranju kubne faze. Takvo neposredno vezivanje favorizuje nukleaciju i rast heksagonalnog slaganja.

Two-dimensional diffraction images of bulk HD acquired along radial and axial directions of the specimen. (CREDIT: Nature)

Mehanička i termalna svojstva

Tim je izmerio osnovna svojstva novih uzoraka:

a, Cross-sectional lamella for STEM observations. b, Typical cross-sectional STEM image, showing well-defined layered textures with individual layer thickness of tens of nanometres. (CREDIT: Nature)

• Vickersova tvrdoća: ~114 GPa (za poređenje, prirodni kubni dijamanti ~110 GPa).
• Youngov modul (stiffness): 1.229 GPa za heksagonalni uzorak, dok je izmerena referentna vrednost za jedinstveni kristal kubnog dijamanta 1.087 GPa.
• Termalna stabilnost: oksidacija počinje iznad ~1.121 K, što ukazuje na visoku stabilnost pri povišenim temperaturama.

Moguće primene i značaj

Mogućnost proizvodnje većih, čistih količina lonsdaleita otvara praktične primene: precizni alati za rezanje i brušenje, abrazivi za ekstremne uslove, otporni premazi i komponente za visokoperformansnu elektroniku. Pored toga, rad potvrđuje da udarni pritisci u meteoritima mogu formirati netipične ugljenične faze, objašnjavajući prirodne nalaze lonsdaleita u nekim meteoritima.

Zaključak

Objavljeni rezultati u časopisu Nature predstavljaju snažan dokaz da lonsdaleit postoji kao čist heksagonalni oblik dijamanta i da može imati superiorna mehanička svojstva u odnosu na konvencionalni kubni dijamant. Ako se sinteza skalira i potvrdi dodatnim nezavisnim studijama, lonsdaleit bi mogao postati važan materijal u industrijskim i tehnološkim primenama.