Ученые создали неуловимый метеоритный алмаз, на 50% твёрже земных алмазов

Фото из открытых источников

Ученые создали первый крупный метеоритный алмаз, также известный как лонсдейлит или шестиугольный алмаз, — материал, предположительно, еще более твердый, чем алмазы, обычно встречающиеся на Земле.

В статье, опубликованной в журнале Nature, что с помощью технологии высокого давления и высокой температуры были созданы крошечные диски из сверхтвердого алмаза, которые в конечном итоге могут заменить обычные алмазы в таких областях, как буровые инструменты и электроника.

Алмазы являются рекордсменами по твёрдости среди природных веществ. Каждый атом углерода в бесконечно повторяющейся молекулярной структуре образует четыре связи одинаковой длины с другими атомами углерода, разделённые углом 109,5 градусов, создавая бесконечный ряд идеальных тетраэдров. При взгляде сбоку эта структура выглядит состоящей из трёх повторяющихся слоёв 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, и впоследствии небольшие примесные кристаллы этой структуры были обнаружены в метеорите Каньон Дьябло, упавшем в пустыне Аризоны около 50 000 лет назад.

В отличие от кубического алмаза, эта форма содержит две разные длины связей: одну чуть длиннее, чем в обычном алмазе, и одну чуть короче. Атомы углерода по-прежнему организованы в бесконечные плоскости тетраэдров. Но на этот раз, если смотреть сбоку, структура содержит только два повторяющихся слоя (обозначенных буквами A и B). Это небольшое смещение углеродных слоёв придаёт метеоритному алмазу гексагональную структуру, которая, по теории учёных, должна повышать твёрдость кристалла на 58%.

Однако подготовка образцов этой гексагональной структуры достаточно большого размера для анализа оказалась сложной задачей. Более того, присутствие других загрязняющих форм углерода в исходном образце метеорита, включая графит, кубический алмаз и аморфный углерод, заставило многих усомниться в существовании гексагонального алмаза вообще.

Вдохновленные фрагментом метеорита «Каньон Дьябло», Венге Янг и его коллеги из Центра передовых исследований высоких давлений и технологий в Пекине попытались воспроизвести в лабораторных условиях интенсивные условия столкновения с Землей, разработав метод синтеза при высоком давлении и температуре с использованием ячейки с алмазными наковальнями – устройства, которое сдавливает образец между двумя плоскими алмазными поверхностями. Взяв за основу другую форму углерода – очищенный графит, – они медленно и осторожно сжали материал, фиксируя смещенные атомы с помощью направленного нагрева лазера.

«При давлении около 20 ГПа (200 000 атмосфер) плоские углеродные слои графита вынуждены смещаться и соединяться с соседними слоями, образуя изогнутую углеродную соту, характерную для гексагонального алмаза», — рассказал Ян. «Лазерный нагрев выше 1400 °C облегчает этот переход». После формирования этих искажённых тетраэдров гексагонального алмаза учёные медленно сбросили давление, чтобы новый кристалл не превратился самопроизвольно обратно в графит.

Затем команда использовала мощные методы для изучения кристаллической структуры и подтверждения своего достижения. Хотя кристаллический диск оставался несколько неоднородным, содержащим случайные фрагменты кубического алмаза, изображения, полученные с помощью электронного микроскопа, отчётливо показывали его слои углерода AB, а рентгеновская кристаллография выявила гексагональную структуру.

«Это хорошая первая демонстрация», — сказал Соумен Мандал, физик, специализирующийся на применении алмаза в Кардиффском университете в Великобритании, не принимавший 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 испытаний на твёрдость обычно требуются образцы большего размера, чем те, что были получены командой Янга. Тем не менее, они подтвердили, что новый материал по прочности как минимум не уступает обычным алмазам, и Ян надеется, что последующие эксперименты с более крупными и чистыми кристаллами вскоре дадут конкретный ответ.

В конечном итоге группа хотела бы, чтобы гексагональный алмаз начал заменять обычный алмаз в таких промышленных технологиях, как точное машиностроение, высокопроизводительная электроника, квантовые технологии и системы терморегулирования, хотя такие применения могут появиться только через 10 лет.

«В перспективе наша цель — производить более крупные и высококачественные образцы гексагональных алмазов, пригодные для реального применения», — сказал он. «Эти усилия помогут адаптировать свойства гексагональных алмазов к конкретным сферам применения и проложат путь к их промышленному внедрению».