Teraz zespół badaczy z Chin poinformował, że udało mu się wytworzyć objętościowy, niemal czysty heksagonalny diament i potwierdzić jego strukturę z dużą precyzją. Samo to byłoby już sporym osiągnięciem, bo przez lata trwał spór, czy lonsdaleit jest rzeczywiście odrębną fazą węgla, czy raczej mieszanką zwykłego diamentu z defektami i zaburzeniami ułożenia warstw. Nowa praca, opublikowana w Nature, przedstawia ten wynik jako najmocniejszy dotąd dowód, że heksagonalny diament nie jest tylko materiałoznawczą pogłoską. Badacze sprawdzili też twardość otrzymanego materiału i uzyskali wynik około 114 gigapaskali. To bardzo blisko, a według części porównań nawet nieco powyżej typowych wartości dla naturalnych diamentów, które często podaje się w okolicach 110 gigapaskali.
Diament, który przez lata był bardziej podejrzeniem niż materiałem
Lonsdaleit to odmiana diamentu o heksagonalnym ułożeniu atomów węgla, inna niż znana z jubilerstwa i przemysłu struktura kubiczna. Po raz pierwszy opisano go w 1962 roku w materiale pochodzącym z miejsca uderzenia meteorytu. Brzmiało to niemal poetycko: kosmiczne zderzenie miało wykuć twardszą krewną zwykłego diamentu. Problem w tym, że natura nie zostawiła badaczom wygodnych, czystych próbek. Heksagonalny diament pojawiał się w śladowych ilościach i zwykle był wymieszany z grafitem albo klasycznym diamentem.
Przez lata to właśnie była największa słabość całej opowieści. Teoria wyglądała obiecująco, symulacje podpowiadały, że taka struktura może być wyjątkowo twarda, ale eksperymentalnie wciąż brakowało materiału, który dałoby się zbadać bez zastrzeżeń. Część naukowców zaczęła wręcz argumentować, że obserwacje rzekomego lonsdaleitu można wyjaśnić jako szczególny przypadek zdefektowanego diamentu kubicznego. Innymi słowy, ten “nowy” materiał mógł być bardziej złudzeniem krystalografii niż rzeczywistym, samodzielnym bytem.
Obecny wynik porządkuje wieloletni spór. Jeśli rzeczywiście udało się otrzymać milimetrowy, niemal czysty heksagonalny diament i potwierdzić jego strukturę metodami dyfrakcji rentgenowskiej oraz mikroskopii elektronowej o rozdzielczości atomowej, to lonsdaleit przestaje być materiałem z przypisu i wraca na główną scenę materiałoznawstwa. To trochę tak, jakby przez dekady wszyscy spierali się, czy istnieje jakiś rzadki instrument, a teraz ktoś wreszcie nie tylko go pokazał, lecz jeszcze pozwolił zagrać.
Jak z grafitu zrobić coś, co może zawstydzić klasyczny diament?
Punktem wyjścia nie był gotowy klejnot, tylko wysoko uporządkowany grafit. Badacze ściskali go między kowadłami z węglika wolframu, działając ciśnieniem 20 gigapaskali i temperaturą od 1300 do 1900 stopni Celsjusza. Kluczowe było też to, że materiał kompresowano wzdłuż osi prostopadłej do warstw grafitu, czyli niejako od góry, a nie z boku. W takim układzie warstwy węglowe nie tylko się ściskają, ale dostają warunki do przejścia w nowy sposób wiązania i nową architekturę przestrzenną.
W opisie mechanizmu pojawia się transformacja martenzytyczna, czyli szybka przemiana strukturalna zachodząca bez długotrwałej dyfuzji atomów. Brzmi surowo, ale można to wyobrazić sobie prościej: materiał nie tyle topi się i krzepnie od nowa, ile raczej przeskakuje do innego układu, jak talia kart, którą ktoś jednym ruchem przełożył w nowy porządek. Według autorów najpierw dochodzi do przesunięcia warstw grafitu, a potem do bezpośredniego tworzenia nowych wiązań między nimi. To właśnie z takiego uporządkowanego “przepięcia” rodzi się heksagonalny diament.
Co ważne, badacze podkreślają też, że przejście od grafitu do diamentu kubicznego albo heksagonalnego silnie zależy od kombinacji ciśnienia i temperatury. To cenna wskazówka dla przyszłych eksperymentów, bo pokazuje, że nie wystarczy po prostu mocno ścisnąć węgiel i liczyć na cud. Trzeba jeszcze bardzo precyzyjnie sterować warunkami, by atomy poszły właściwą drogą. W materiałoznawstwie to bywa różnica między narodzinami nowej fazy a powstaniem drogiego bałaganu.
Źródła: Phys; Science Direct