В лаборатории наконец-то удалось создать метеоритные алмазы, которые могут быть на 58 % твёрже обычных алмазов.
(Фото: Мина Де Ла О, Getty Images)
Учёные создали первый крупный метеоритный алмаз, также известный как лонсдейлит или гексагональный алмаз. По прогнозам, этот материал будет даже твёрже алмазов, которые обычно встречаются на Земле.
С помощью технологии высокого давления и высокой температуры были созданы крошечные диски из сверхтвёрдого алмаза, которые в конечном счёте могут заменить обычные алмазы в таких областях применения, как бурение и электроника, сообщили учёные 30 июля в журнале Nature.
Алмаз является рекордсменом по самой высокой твёрдости среди природных веществ. Каждый атом углерода в бесконечно повторяющейся молекулярной структуре образует четыре связи одинаковой длины с другими атомами углерода, расположенными под углом 109,5 градуса, создавая бесконечное множество идеальных тетраэдров. Если смотреть на эту структуру сбоку, то можно увидеть три повторяющихся слоя атомов углерода (обозначенных буквами A, B и C), что придаёт алмазу то, что кристаллографы называют гранецентрированной кубической кристаллической структурой.
Однако в 1960-х годах была предложена несколько иная структура алмаза. Впоследствии в метеорите Каньон-Диабло, упавшем в пустыне Аризоны около 50 000 лет назад, были обнаружены небольшие кристаллы с такой структурой.
В отличие от кубического алмаза, эта форма содержит две связи разной длины — одну немного длиннее, чем в обычном алмазе, и одну немного короче. Атомы углерода по-прежнему организованы в бесконечные плоскости тетраэдров. Но на этот раз, если смотреть сбоку, структура содержит только два повторяющихся слоя (обозначенных A и B). Это небольшое смещение углеродных слоев придает метеоритному алмазу гексагональную структуру, которая, по предположению ученых, должна повысить твердость твердого вещества на 58%.
Схема, демонстрирующая структурные различия между кубическим алмазом (слева) и метеоритным алмазом (справа). (Изображение предоставлено Ральфом Риделем)
Но подготовить образцы этой гексагональной структуры, достаточно крупные для анализа, было непросто. Более того, наличие в исходном образце метеорита других загрязняющих форм углерода, в том числе графита, кубического алмаза и аморфного углерода, заставило многих усомниться в существовании гексагонального алмаза.
Вдохновившись метеоритным осколком из каньона Дьябло, Вэнъэ Ян и его коллеги из Центра передовых исследований в области науки и технологий высокого давления в Пекине попытались воспроизвести в лаборатории экстремальные условия столкновения с Землёй, разработав метод высокотемпературного синтеза под высоким давлением с использованием ячейки с алмазными наковальнями — оборудования, которое сжимает образец между двумя плоскими поверхностями из алмаза. Начав с другой формы углерода — очищенного графита, — они медленно и осторожно сжали материал, зафиксировав смещённые атомы с помощью направленного лазерного нагрева.
«При давлении около 20 ГПа (200 000 атмосфер) плоские углеродные слои графита вынуждены смещаться и соединяться с соседними слоями, образуя искривлённые углеродные соты, характерные для гексагонального алмаза», — сообщил Ян Live Science в электронном письме. «Лазерный нагрев выше 1400 °C [2552 по Фаренгейту] способствует этому переходу.«Как только эти искажённые тетраэдры гексагонального алмаза сформировались, команда постепенно снизила давление, чтобы новый кристалл не превратился обратно в графит.
Затем команда использовала мощные методы для изучения кристаллической структуры и подтверждения своего достижения. Несмотря на то, что кристаллический диск был не совсем чистым и содержал случайные фрагменты кубического алмаза, на снимках, полученных с помощью электронного микроскопа, были чётко видны его углеродные слои AB, а рентгеновская кристаллография выявила гексагональную структуру.
«Это хорошая первая демонстрация», — сказал Сумен Мандал, физик, специализирующийся на применении алмазов в Университете Кардиффа в Великобритании, который не принимал участия в исследовании. «Теперь нам нужны чистые кристаллы и больше материала, чтобы начать изучать его физические и механические свойства, тепловые и электрические свойства — всё это».
Согласно исследованию, для определения твёрдости обычно требуются образцы большего размера, чем те, которые изготовила команда Янга. Однако они подтвердили, что новый материал по крайней мере не уступает по твёрдости обычному алмазу. Ян надеется, что последующие эксперименты с более крупными и чистыми кристаллами вскоре дадут конкретный ответ.
В конечном счёте команда хотела бы, чтобы гексагональные алмазы начали заменять обычные алмазы в таких промышленных технологиях, как прецизионное оборудование, высокопроизводительная электроника, квантовые технологии и системы терморегулирования, хотя до внедрения таких технологий может пройти ещё 10 лет.
«В перспективе наша цель — производить более крупные и качественные образцы гексагональных алмазов, пригодные для практического применения, — сказал он. — Эти усилия помогут адаптировать свойства гексагональных алмазов для конкретных задач и проложат путь к их промышленному внедрению.»