Kineski znanstvenici uspješno su sintetizirali šesterokutni dijamant veličine 100 mikrometara

Nakon gotovo deset godina kontinuiranog istraživanja, međunarodni istraživački tim Pekinga visokonaponskog znanstvenog istraživačkog centra i Xi'an Instituta za optiku i finu mehaniku, Kineska akademija znanosti, napravio je veliki proboj. Istraživači su uspješno transformirali visokokvalitetni grafitni jednostalni prekursor u šesterokutni dijamant na razini mikrometra, a ovo je postignuće objavljeno u međunarodnoj autoritativnoj časopisu Nature 30. godine.

 

Šesterokutni dijamant pokazuju mehanička svojstva usporediva s kubičnim dijamantom. Za razliku od kubičnih dijamanata sa samo jednom duljinom ugljičnog ugljičnog veza, šesterokutni dijamanti pokazuju dvije različite karakteristike raspodjele duljine veze. Navodi se da je razmak među slojevima značajno skraćen, a ova jedinstvena metoda slaganja ugljikovih atoma može učinkovito prevladati urođenu slabost klizanja na gustoj površini slaganja kubičnog dijamanta.

 

Sinteza šesterokutnog dijamanta uvijek je bila glavni izazov u znanstvenoj zajednici. Već 1967. američki su znanstvenici prvi put otkrili ovaj rijetki "Super Diamond" u meteoritskom krateru, koji je privukao veliku pažnju zbog svoje šesterokutne kristalne strukture. Međutim, uvjeti formiranja šesterokutnih dijamanata su izuzetno strogi, a prethodno su mogli koegzistirati samo s meteoritama na nanocjenjivi.

 

Istraživački tim inovativno je osmislio eksperimentalni plan visoke temperature i visokog pritiska. Znanstvenici su proveli in-situ istraživanja o strukturnim promjenama grafita pod ultra-visokim tlakom i visokim temperaturama koristeći lasersku grijanu dijamantnu tehnologiju nakovnja. Eksperimenti su otkrili da grafit tvori strukturu visokog pritiska "post grafitne faze" u rasponu visokog tlaka, a zatim se šesterokutni dijamant uspješno dobiva lokalnim grijanjem.

 

Istodobno, istraživački tim kombinirao je simulacije teorije molekularne dinamike velikih razmjera kako bi otkrila ključnu ulogu konfiguracije slaganja grafitnog sloja u stvaranju šesterokutnih dijamantskih struktura. Ovo otkriće potvrđuje novi put da grafit formira šesterokutni dijamant kroz fazu post grafita, otvarajući nove tehnološke upute za pripremu superhardnih materijala.

 

Eksperimentalni podaci pokazuju da sintetizirani šesterokutni dijamant ima tvrdoću do 155GPA, što veće prirodni dijamant za više od 40%. U vakuumskom okruženju njegova toplinska stabilnost može dostići 1100 stupnjeva, što je značajno bolje od performansi nanodiamonda od 900 stupnjeva. Ova izvrsna fizička svojstva čine šesterokutni dijamant pokazuju veliki potencijal u industrijskim primjenama.

 

Ova sustavna studija zaustavila je više od 60 godina akademske kontroverze u vezi s makroskopskom postojanjem šesterokutnih dijamanata. Rezultati istraživanja ne samo da pružaju snažne dokaze za neovisno postojanje šesterokutnog dijamanta, već i postavljaju solidne temelje za svoj razvoj kao nova generacija funkcionalnih materijala visokih performansi. Očekuje se da će ovaj proboj pokrenuti tehnološku inovaciju na području super -materijala i unijeti novi zamah u razvoj povezanih industrija.

 

Što jeŠesterokutni dijamant?

Šesterokutni dijamant (HD), koji se naziva i Lonsdaleite, šesterokutna je alotropa ugljika u kojoj je svaki ugljični atom sp³-hibridiziran i tetraedralno vezan na četiri susjeda, tvoreći trodimenzionalni kovalentni okvir. Prvo predviđeno 1962. godine i identificiran 1967. u meteoritskom materijalu iz Canyon Diablo (Arizona), dobio je ime po kristalografkinji Kathleen Lonsdale. Desetljećima su bili dostupni samo nanoskalni fragmenti ili neuredni međuražaji, pa je njegovo postojanje kao izrazita faza i njegova svojstvena svojstva ostalo kontroverzno. Godine 2025. tim koji je vodio prof. Ho-Kwang (Dave) Mao u Centru za znanost i tehnologiju visokog pritiska, napredna istraživanja sintetizirala su, visoko naručene jednofazne linsdaleite, komprimiranjem i zagrijavanjem visokokvalitetnih grafitnih pojedinačnih kristala pod kontroliranim kvazi-hidrostatskim pritiskom. Elektronska mikroskopija otkrila je izravnu pretvorbu grafita (1010) u HD (0002) i grafit (0002) u HD (1010). Rezultirajući uzorci su gotovo čisti linsdaleite s samo oštećenjima kubičnih dijamanata i pokazuju tvrdoću koja je malo veća od kubičnog dijamanta.

 

Po čemu se Lonsdaleite razlikuje od kubičnog dijamanta?

Lonsdaleite (šesterokutni dijamant) razlikuje se od kubičnog dijamanta na četiri ključna načina:

1 kristalna simetrija i slaganje
• Lonsdaleite: šesterokutna rešetka, svemirska skupina P6₃/MMC; Ugljikovi slojevi povezani sp³ složeni su u ab-ab slijedu duž C-osi.
• Kubični dijamant: rešetka usredotočena na lice, FD-3M svemirska skupina; Slojevi slijede ABC-ABC slijed.

 

2 parametara rešetke
• Lonsdaleite: A ≈ 2,51 Å, C ≈ 4.12 Å.
• Kubični dijamant: A=3.5668 Å.

 

3 stabilnost i energija
• Lonsdaleite je ~ 0,025 eV po atomu većim energijom od kubičnog dijamanta, što ga čini metastabilnim.

 

4 mehanička svojstva
• Teorija i nedavne sinteze s jednim kristalnim mjestima MM-a pokazuju da je lonsdaleite nešto teže (otpor udubljenja ~ 152 GPA, 58 %

teže na {0001} ravnini vs Diamond {111}).
• Kubični dijamant ostaje mjerilo za tvrdoću (MOHS 10) i lakše se sintetizira u rasutom obliku.

 

Slijedom toga, šesterokutno slaganje Lonsdaleite i nešto duža geometrija veze daju mu neznatno superiornu teorijsku tvrdoću, dok kubični dijamant nudi veću termodinamičku stabilnost i jednostavnost proizvodnje.