Китай е разработил рядък, ултратвърд 6-ъгълен диамант

За първи път изследователи в Китай са произвели синтетично почти чист шестоъгълен диамант, отбелязвайки значителен пробив в науката за материалите. Произведеният в лаборатория диамант е многократно по-здрав от естествения скъпоценен камък. Учените, създали диаманта, смятат, че той може да има няколко приложения в ключови сектори. Например диамантите вече се използват широко в индустрията за полиране и режещи инструменти.

Отдавна известни със своята изключителна красота и почти несравнима твърдост, диамантите са били ценени като скъпоценни камъни за използване в бижута и по-утилитарни приложения в редица индустрии.

Сега синтетичен шестоъгълен диамант най-накрая е създаден от екип от изследователи от университетите Дзилин и Сун Ятсен в Китай. Това е голямо постижение в науката за материалите и идентифицира уникална структурна форма на графит.

Рядка и мистериозна кристална структура

Не всички диаманти са еднакви. Повечето естествени и синтетични диаманти имат кубична кристална структура, въпреки че учените отдавна знаят за по-рядък, потенциално по-твърд тип, притежаващ шестоъгълна форма. 

Свръхтвърдите или "супер" диаманти са сравнително ново откритие. Досега подобна на диамант шестстранна форма на въглерод, известна като лонсдейлит, е била открита само при изключително редки условия в природата. Най-ранното известно откритие на материала е направено по време на проучвания на метеорита "Каньон Диабло" (Canyon Diablo) през 1967 г.

Октаедрит (един от трите структурни класа на железните метеорити, намерени на Земята) с голям, изрязан, полиран с азотна киселина срез от парче от метеорита "Каньон Диабло" (Canyon Diablo), който показва фантастична структура. Намерен е в пустинята Аризона за първи път през 1891 г. в метеоритен кратер (кратера Барингер), образуван от удар на метеорита октаедрит преди ~49 000 години по време на късния плейстоцен. Камъкът, показана тук, е фрагмент от метеорита "Каньон Диабло". Такива фрагменти са събирани в продължение на десетилетия от пустинята около кратера. Метеоритът "Каньон Диабло" се е състоял от ~90% камасит, ~1-4% таенит и до 8,5% троилит-графитни нодули (FeS & C). Първоначалните размери се оценяват на 30 м напречно и маса около 60 000 тона. Датиран е на 4,55 милиарда години. Нови изследвания показват, че той съдържа невиждани досега диамантени кристални структури. Кредит: Field Museum of Natural History public display (Chicago, Illinois, USA)

Алотроп на въглерод (което причинява неговата шестоъгълна форма), лонсдейлитът понякога се нарича шестоъгълен диамант, въпреки че това е технически неточно, тъй като "истинските" диаманти имат кубична структура.

Въпреки че нормалните диаманти и техните шестоъгълни двойници са съставени от въглерод, хексагоналната разновидност се различава от обикновените си кубични братовчеди по уникалната си атомна структура. Разликата основно се свежда до това как са подредени атомите в кристала.

Кубичните диаманти притежават симетрична конфигурация с повтаряща се решетка. Тази конфигурация помага да се придаде бляскавият вид на скъпоценните камъни, въпреки че е и основният фактор зад известната им сила. Като се има предвид шестстранната кристална структура на лонсдейлит, отдавна се теоретизира, че тези уникални въглеродни образувания могат да бъдат дори по-здрави от традиционните диаманти.

Схема, описваща подробно структурата на лонсдейлит. Кредит: Naval Research Laboratory.

В миналото възпроизвеждането на екстремните условия на метеоритни удари, които водят до естественото образуване на лонсдейлит, бе почти невъзможно в лабораторни условия. Някои учени дори се съмняват дали стабилността на тази странна кристална структура би позволила проби да бъдат създадени изкуствено.

"Синтезът на [шестоъгълен диамант] остава предизвикателство и дори съществуването му остава спорно", пишат изследователите в скорошно проучване, описващо работата им.

Пробив в синтеза: от графит до шестоъгълен диамант

Всичко това се променя, когато изследователският екип на университета Дзилин започва своята работа, като първо загрява проба от силно компресиран графит - същият тип въглерод, който обикновено се използва в моливите.

Екипът разказва, че резултатът е бил "добре кристализиран, почти чист" шестоъгълен диамант, който "е приложим както към насипни, така и към наноразмерни графитни прекурсори".

Допълнителни експерименти и теоретични анализи също разкриват, че пост-графитната фаза, както екипът нарича  пробата, веднъж преобразувана в шестоъгълен диамант (HD - hexagonal diamond), "показва, че образуването на пост-графитна фаза в компресиран графит и температурни градиенти стимулират растежа на HD."

Китайски учени откриха нов подход за синтезиране на почти чист шестоъгълен диамант (HD) чрез нагряване на силно компресиран графит. Използвайки този подход, се получава силно ориентиран HD блок с размер mm, състоящ се от подредени монокристални HD нанослоеве. Този HD проявява висока термична стабилност до 1100 °C и много висока твърдост от 155 GPa. Техните открития предоставят възможности за производството и приложенията на този уникален индустриален материал. Кредит: Jilin University

"Използвайки този подход, се получава високоориентиран HD блок с милиметрови размери, състоящ се от подредени HD нанослоеве, подобни на монокристали", пише екипът в новата си статия, потвърждавайки, че техният метод успешно преобразува графита в добре кристализиран шестоъгълен диамант с почти перфектна чистота.

Изключителна твърдост и стабилност при високи температури

Едно от най-забележителните открития на екипа е изключителната твърдост на новосинтезирания шестоъгълен диамант, който измерва впечатляващите 155 гигапаскала (GPa).

За сравнение, конвенционалните кубични диаманти имат това, което учените наричат ​​твърдост по Викерс между 70 и 150 GPa. Това предполага, че шестоъгълните диаманти биха могли да надминат своите кубични братовчеди по устойчивост на износване и издръжливост, потвърждавайки минали прогнози, че шестоъгълните диаманти ще бъдат по-твърди от познатите досега най-твърди естествени материали в природата.

Безпрецедентната твърдост на шестоъгълния диамант го прави обещаващ материал за режещи инструменти и различни индустриални приложения. В допълнение към своята твърдост, шестоъгълният диамант остава стабилен, докато е подложен на температури от цели 1100°C, демонстрирайки своя потенциал като материал от следващо поколение.

Нова ера за материали на основата на диаманти?

Въпреки че синтетичните диаманти са произвеждани с помощта на методи при висока температура и високо налягане в продължение на много десетилетия, както и методи, включващи химическо отлагане на пàри, никой не е постигнал безпрецедентната здравина, показана от синтетичния лонсдейлит, създаден от китайския екип.

Сега, след като показа, че стабилни синтетични шестоъгълни диаманти е възможно да бъдат произведени в насипно състояние, откритието на екипа има потенциала да направи революция в науката за материалите с превъзходната твърдост и стабилност, които тези подобни на диаманти структури могат да предложат. Може също да помогне при производството на ултраустойчиви покрития и дори полупроводници от следващо поколение.

Отвъд техните промишлени употреби, успешното производство на уникални шестоъгълни диамантени структури в лабораторията предлага решаващи нови прозрения за поведението на въглеродните структури при екстремни условия. Констатациите на екипа допринасят значително за по-широкото ни разбиране на планетарната геология и инженерното материалознание чрез възпроизвеждане на екстремни условия, които произвеждат такива вещества в природата.

Екипът признава, че шестоъгълните диаманти засега са не повече от лабораторен куриоз. Но тези забележително здрави шестоъгълни структури вероятно ще намерят своето място в разработването на авангардна технология през следващите години, което екипът вярва, че ще предостави "възможности за производството и приложенията на този уникален материал".

Справка: Chen, D., Chen, G., Lv, L. et al. General approach for synthesizing hexagonal diamond by heating post-graphite phases. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02126-9 

Източник: Rare Hexagonal Diamond is Finally Created in the Lab, Overturning Decades of Controversy, Micah Hanks, Тhe Debrief

Още по темата

21/03/2024

Земята

Вулканите, които са изхвърляли диаманти със свръхзвукова скорост, може би ще се върнат към живот

21/09/2023

Земята

За да има розови диаманти, е разрушен суперконтинент

13/09/2022

Земята

Странна форма на космически диамант идва от отдавна мъртва планета

26/07/2022

Земята

Странна, невиждана досега диамантена кристална структура е открита в метеорит