В лаборатории создали гексагональный алмаз, более твердый, чем природные камни

Фото из открытых источников

Исследователи сообщили о первом лабораторном создании чистого гексагонального алмаза, твердость которого по результатам испытаний немного выше, чем у многих природных алмазов. В результате давно оспариваемая структура углерода превращается в измеримый материал и меняет представление ученых о пределах возможностей самого алмаза. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Внутри пресса, сжатого до 20 гигапаскалей, углерод образовал образец толщиной 0,10 сантиметра, который, по словам исследователей, представляет собой чистую новую алмазную структуру. Следуя этой закономерности, Сигуй Ян из Чжэнчжоуского университета (ZZU) связал образец со структурой, о которой давно ведутся споры. 

Ранее выдвигались утверждения, обычно касающиеся мельчайших зерен, смешанных с другими формами углерода, что затрудняло доказательство существования отдельного материала.Более лаконичный вариант изменил этот аргумент, предоставив исследователям достаточно веские доказательства для измерения, сравнения и проверки.

Еще в 1967 году ученые сообщили об обнаружении лонсдейлита, гексагональной формы алмаза, в метеоритах и обломках, образовавшихся в результате ударов метеоритов. Спустя годы, в 2014 году, в результате анализа было высказано предположение, что эти сигналы могут исходить от поврежденных обычных алмазов, а не от отдельного кристалла.

Это возражение оставалось влиятельным, поскольку материал часто обнаруживался лишь в виде мельчайших, беспорядочных фрагментов, оставшихся после сильных ударов.

«Эти результаты разрешают давний спор о существовании HD как дискретной углеродной фазы и дают новое понимание фазового перехода графит-алмаз, открывая путь для будущих исследований и практического использования HD в передовых технологических приложениях», — написал Ян.

Команда ZZU начала с графита, мягкой слоистой формы углерода, потому что его сложенные листы могут легко образовывать новую структуру. Давление достигло 20 гигапаскалей, а температура повысилась с 1300 до 1900 °C, в результате чего эти листы сжались, а не сместились в стороны.

Это направление было критически важным, поскольку между слоями образовывались связи, превращавшие скользкую структуру в жесткую трехмерную сеть. В итоге группа обнаружила фрагмент достаточного размера для проведения нескольких прямых экспериментов.

Для проверки этого утверждения команда использовала рентгеновскую дифракцию — метод картирования атомных положений — на восстановленном кристалле. В ходе этого эксперимента рентгеновские лучи отражаются от атомов, и полученная картина показывает, как выстраиваются атомы углерода.

Результаты, полученные при исследовании кристалла, соответствовали гексагональной структуре, а не смешанным закономерностям, которые искажали более ранние отчеты. Благодаря более совершенной конструкции, корпус больше не опирался на следы, скрытые в обломках после удара.

После подтверждения структуры группа перешла к измерению твердости по Виккерсу — тесту, измеряющему сопротивление вдавливанию. При нагрузке в 9,8 ньютона материал достигал примерно 114 гигапаскалей в одном направлении в ходе многократных испытаний на вдавливание.

Даже в этом случае преимущество перед обычными алмазами оставалось незначительным, что позволяло легче доверять результату. Наиболее примечательным был не карикатурный скачок в силе, а подтвержденное преимущество в спорном материале.

Одной лишь твердости было бы недостаточно, чтобы этот материал был полезен, если бы высокая температура быстро разрушала его кристаллическую структуру. Последующие испытания показали высокую термическую стабильность, способность сохранять свою структуру при нагревании, по сравнению с исходным графитом.

Это важно для резки и сверления, поскольку режущие кромки горячекатаных инструментов быстро теряют свои свойства, когда твердая поверхность начинает разрушаться. Материал, сохраняющий твердость под воздействием нагрузок и высоких температур, становится более пригодным для использования в машинах, электронике и других областях, требующих высокой прочности.

В результате ударов метеоритов может образоваться такой алмаз, когда углерод внезапно сжимается, нагревается и перестраивается под воздействием экстремального напряжения. В исследовании метеоритов 2022 года утверждалось, что лонсдейлит может образовываться раньше обычного алмаза во время некоторых сильных столкновений.

Эти данные, полученные естественным путем, помогают объяснить, почему это важно для исследователей, поскольку результаты лабораторных исследований могут отражать экстремальный процесс, уже происходящий в космосе. Тем не менее, соответствие природе — это не то же самое, что овладение производством, и именно этот разрыв определяет, будет ли это важно для промышленности.

В промышленности алмазы уже используются в тех областях, где инструменты должны резать, шлифовать или выдерживать интенсивное трение без износа. Более твердый вариант мог бы дольше сохраняться на поверхности, поскольку под давлением разрывалось бы меньше атомных связей.

Исследователи также интересуются электроникой, поскольку алмаз эффективно отводит тепло и устойчив к повреждениям в агрессивных средах. В реальных практических приложениях по-прежнему необходимо надежно изготавливать более крупные детали с меньшими затратами и свойствами, которые инженеры могут воспроизводить.

Один многообещающий кристалл не гарантирует полного успеха, поскольку твердость может меняться в зависимости от направления, нагрузки, дефектов и размера образца. Другие лаборатории теперь попытаются воспроизвести рецептуру, исследовать более крупные образцы и проверить износ в реальных условиях эксплуатации.

Они также сравнят этот материал с лучшими искусственно созданными алмазами, а не только с обычными природными камнями. Следующий раунд имеет значение, потому что необычайно твердый материал заслуживает доверия только после того, как независимые группы не смогут опровергнуть заявленные свойства.

Китайские исследователи не просто создали очередной прочный лабораторный кристалл. Они определили наиболее четкую физическую форму спорной формы углерода. Независимо от того, станет ли это полезным продуктом или научным эталоном, результат заставит будущие исследования алмазов встать на более прочную основу.