7 Minuten
Laboratorinis proveržis: meteorito deimantas (lonsdaleitas) sintetintas mastu
Mokslininkai pirmą kartą laboratorijoje pagamino pastebimą meteorito deimanto — lonsdaleito, dar vadinamo hexagoniniu (šešiakampiu) deimantu — kiekį. Šį medžiagos tipą teorija prognozuoja kaip žymiai kietesnį už įprastą kubinį deimantą; jį sukonstravo kaip mažus itin kietus diskus, taikant didelio slėgio ir aukštos temperatūros sintezę. Darbas, pristatytas žurnale Nature 2025 m. liepos 30 d., yra svarbus žingsnis patvirtinant kelis dešimtmečius trunkančias teorines prognozes apie hexagonines anglies tinklų savybes ir tiriant galimą pramoninį pritaikymą.
Mokslinis fonas: kuo lonsdaleitas skiriasi nuo įprasto deimanto
Deimantas yra geriausiai žinoma natūraliai susidariusi itin kieta medžiaga, nes kiekvienas anglies atomas sudaro keturis lygiavertius sp3 ryšius, taip suformuodamas tetraedrų tinklą. Tradicinėje kubinėje (fazės centrinėje kubinėje) deimanto struktūroje šie tetraedrai susideda į tris skirtingas besikartojančias plokštumas, pažymėtas A, B ir C. Būtent ši trijų sluoksnių ABC sandara lemia kubinio deimanto mechanines ir elektronines savybes.
Priešingai, lonsdaleitas įgauna šešiakampę kristalinę simetriją, kuri kyla iš dviejų besikartojančių sluoksnių, pažymėtų A ir B, išdėstytų AB seka. Skirtumas subtilus: kai kurie anglies–anglies atstumai tampa šiek tiek trumpesni, kiti — šiek tiek ilgesni nei kubiniame deimante. Kristalografai prognozavo, kad ši hexagoninė tvarka turėtų padidinti standumą ir kietumą; teoriniai modeliai nurodė kietumo padidėjimą maždaug 50–60 % diapazone, palyginti su kubiniu deimantu. Ankstyvi, smulkūs ir nešvarūs grūdai, kurie 1960-aisiais buvo identifikuoti kaip galimas lonsdaleitas Kanjono Diablo meteorito fragmentuose, dėl grafito, kubinio deimanto ir amorfinės anglies užterštumo keliavo abejonių dėl gryno hexagoninio deimanto egzistavimo dešimtmečius.
Schematiškai parodyti struktūriniai skirtumai tarp kubinio deimanto (kairėje) ir meteorito deimanto (dešinėje). (Vaizdo autorystė: Ralf Riedel)
Eksperimento niuansai: kaip tyrėjai laboratorijoje atkartojo smūgio aplinką
Pasišovę įkvėpti lonsdaleitui panašių grūdų, rastų Kanjono Diablo meteorite, Wenge Yang ir kolegos iš Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) Pekine sukūrė eksperimentą, imituojantį meteorito smūgių ekstremalias slėgio ir temperatūros sąlygas. Komanda pradėjo nuo itin gryno grafito kaip anglies žaliavos ir naudojo deimantinę priekalės ląstelę (diamond anvil cell, DAC), kad taikytų statinius slėgius dešimčių gigapaskalių dydžio.
Sintezės parametrai ir protokolas
- Slėgis: maždaug 20 GPa (apie 200 000 atmosferų), pakankamas priversti gretimoms anglies plokštelėms slinkti ir vėl susirišti.
- Šildymas: labai fokusuota lazerinė spinduliuotė užtikrino lokaliai daugiau nei 1400 °C temperatūrą, skatindama atominius pertvarkymus, bet nesukeliant tirpimo.
- Kinetika: lėtas, kontroliuojamas suspaudimas ir atidžiai laipsniškas atslėgimas, kad būtų užfiksuota hexagoninė sluoksnių tvarka ir išvengta grįžimo į grafitą.
„Apie 20 GPa (200 000 atmosferų) slėgio sąlygomis plokščios grafito anglies sluoksnės yra priverčiamos slinkti ir susijungti su gretimais sluoksniais, formuodamos išlinkusią anglies struktūrą, būdingą hexagoniniam deimantui,“ Yang pranešime žiniasklaidai sakė. „Lazerinis šildymas virš 1400 °C palengvina šį perėjimą.“ Lazerinis šildymas ir lėtas slėgio atleidimas buvo kritiški: staigus atleidimas arba nepakankama temperatūros kontrolė rizikavo medžiagos grįžimu į grafitą arba mišrių fazių anglies susidarymu.
Tyrimą įkvėpė Kanjono Diablo meteorito fragmentas, kuriame buvo rasta lonsdaleito — greičiausiai susidaręs dėl didelių slėgių ir temperatūrų, kilusių smūgio į Žemę metu. (Vaizdo autorystė: By Geoffrey Notkin, Aerolite Meteorites of TucsonOriginal uploader was Geoking42 at en.wikipedia - Transferred from en.wikipedia(Original text : Self-made. Image created by Geoffrey Notkin, Aerolite Meteorites [1]), CC BY-SA 2.5, Link)
Charakterizacija ir pagrindiniai radiniai
Pabuvus sintezės sąlygose, komanda panaudojo aukštos raiškos elektroninę mikroskopiją, rentgeno kristalografiją ir difrakcijos analizę, kad ištirtų atomines struktūras. Perenkamas elektronų mikroskopas (TEM) parodė AB sluoksnių išdėstymą, atitinkantį hexagoninę simetriją. Rentgeno kristalografiniai raštai sutapo su tikėtina lonsdaleito hexagonine tinkleline struktūra, patvirtinant, kad diskuose yra tikrų hexagoninio deimanto domenų.
Nors diskai buvo maži ir nebuvo visiškai be kubinio deimanto įterpimų, stebėjimai pateikia aiškius struktūrinius įrodymus, kad hexagoninį deimantą galima pagaminti laboratorijoje gerai kontroliuojamomis sąlygomis. Kietumo bandymai reikalauja didesnių, be defektų mėginių nei pirmojo demonstravimo metu gauti diskai, todėl autoriai nenurodė galutinio kietumo rodiklio savo mėginiams. Vis dėlto ribotose vertinimo sąlygose jie parodė, kad naujoji medžiaga bent jau nėra minkštesnė už įprastą deimantą.
„Tai geras pirmasis demonstravimas,“ nepriklausomai komentavo Soumen Mandal, Kardifo universiteto fizikas, tiriantis deimantų panaudojimą. „Dabar reikia grynų kristalų ir daugiau medžiagos, kad galėtume pradėti tirti jos fizines ir mechanines savybes, šilumines bei elektrines charakteristikas — visa tai.“
Pasekmės pramonei ir mokslui
Jeigu pavyks patikimai pagaminti didesnius, aukštos grynumo lonsdaleito kristalus, ši medžiaga potencialiai gali pranokti kubinį deimantą keliose technologinėse srityse, dėl prognozuojamo didesnio kietumo ir galimų skirtingų šiluminių bei elektroninių savybių. Pagrindinės galimos taikomosios sritys:
- Pramoniniai abrazyvai ir grąžtai kasybai bei naftos ir dujų pramonei — didesnis kietumas tiesiogiai reiškia ilgesnį įrankių tarnavimo laiką ir geresnius rezultatus.
- Tikslioji apdirbimo ir pjaustymo įrankiai, kuriems reikalingas ekstremalus atsparumas dilimui.
- Aukštos galios, plačiojo uždaro plyšio (wide-bandgap) elektronika ir šilumos valdymo sistemos, pasinaudojant deimanto išskirtine šilumine laidumo savybe; hexagoninis deimantas gali pasiūlyti papildomų elektroninės juostos struktūros pranašumų.
- Kvantinės technologijos ir jutikliai: deimantas jau talpina azoto-vakansijos centrus ir kitus defektais grįstus kvantinius taikinius; nauja tinklelio simetrija galėtų atverti galimybes projektuojamiems kvantiniams defektams.
HPSTAR komanda įvertino, kad praktiškas pramoninis pritaikymas vis dar gali užtrukti apie dešimtmetį, atsižvelgiant į poreikį didinti mėginių dydį, mažinti teršalus ir išsamiai apibūdinti mechanines, šilumines bei elektrines savybes.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Elena Park, medžiagų mokslininkė (fiktyvi), komentuoja: „Tai svarbus eksperimentinis pasiekimas. Iššūkis dabar yra mastelis ir grynumas. Išgauti izoliuotą AB sluoksnių išdėstymą milimetrinio skalės domenuose be kubinio taršos reikalaus slėgio kelių, šildymo profilių ir pradinės medžiagos kontrolės patobulinimų. Jei šios kliūtys bus įveiktos, inžinerinė nauda gali būti reikšminga pjovimo įrankiams ir šiluminėms sistemoms.“
Dr. Marcus Olufemi, fiktyvus taikomosios fizikos specialistas, priduria: „Taip pat turėtume tirti defektų chemiškumą hexagoniniame deimante. Defektai nulemia ne tik mechaninį stiprumą, bet ir elektronines bei optines savybes. Nauja tinklelio simetrija reiškia naujas defektų elgsenas — jas galima pritaikyti specifiniams fotonikų ar kvantinio jautrumo taikymams.“
Kiti tyrimų žingsniai
Norint pereiti nuo laboratorinio įrodymo prie medžiagos platformos, mokslininkai ir pramonės partneriai turės spręsti kelis prioritetus:
- Mastelio didinimas: sukurti metodus didesniems, nuolatiniams lonsdaleito kristalams sintezuoti, naudoti statinį suspaudimą, šoko technikas ar naujas chemines taktikų kelius.
- Grynumo kontrolė: pašalinti likutinį kubinį deimantą, grafitą ir amorfinę anglies frakciją, kad būtų įmanomi patikimi mechaniniai bandymai ir įrenginių gamyba.
- Išsamus savybių žemėlapis: išmatuoti kietumą (Vickers, Knoop, nanoindentacija), lūžimo atsparumą, šiluminį laidumą, elektroninį energetinį tarpą ir defektų elgseną skirtingų mėginių kokybių ir orientacijų diapazone.
- Ekonominė ir aplinkosaugos analizė: įvertinti, ar energijos ir įrangos sąnaudos hexagoninio deimanto gamybai mastu yra pagrįstos tikslinėms taikymo sritims.
Išvados
Laboratorinė lonsdaleito diskų sintezė yra reikšmingas eksperimentinis patvirtinimas medžiagos, kurią mokslininkai seniai bandė izoliuoti ir ištirti. Atkartodami smūgiams būdingus slėgio ir temperatūros parametrus su deimantine priekale ir tiksliniu lazeriniu šildymu, tyrėjai sukūrė hexagoninės sluoksnių sandaros anglies domenus ir patikrino jų struktūrą elektroninės mikroskopijos bei rentgeno kristalografijos metodais. Nors mėginiai išlieka maži ir iš dalies nešvarūs, rezultatai vėl atveria kelią tyrimams su medžiaga, kuri teoriškai gali būti iki 50–60 % kietesnė už kubinį deimantą. Didesnių ir grynesnių kristalų pasiekimas yra aiškus kitas iššūkis; jei jis bus įveiktas, hexagoninis deimantas per artimiausią dešimtmetį gali pakeisti sektorius nuo pramoninio gamybos iki elektronikos ir kvantinių technologijų.
Quelle: livescience
Kommentare