Рядък диамант с уникална шестоъгълна структура е по-твърд от естествения си аналог

Ваня Милева Последна промяна на 05 август 2025 в 00:00 9743 0

Естествен диамант

Кредит Flickr (CC BY 2.0)
Естественият диамант, показан тук, има кубична структура на опаковане. Но много по-рядка форма на диамант има шестоъгълно подреждане и сега е произведена в насипно състояние за първи път.

Първият масов синтез на хексагонален диамант бележи важен етап за въглеродните алотропи, предлагайки на изследователите възможност за по-подробно определяне на характеристиките на този уникален материал.

Диамантът е един от най-твърдите материали, известни в природата, което се дължи на неговата структура, в която въглеродните атоми се свързват ковалентно в перфектна тетраедрична подредба. Преди близо 60 години учени предсказват по-твърда, алтернативна форма, наречена хексагонален диамант, който има хексагонална решетка, а не кубичната решетка като конвенционалния диамант.

На Земята е открит естествен шестоъгълен диамант, за който се смята, че се е образувал по време на удари на метеорити, когато огромните температури и налягания могат бързо да трансформират графита в тази рядка форма на диамант. Но досега са откривани само малки зрънца от този естествен шестоъгълен диамант, смесени с кубичен диамант и графит. Методите, възпроизвеждащи топлината и налягането на удар на метеорит в лаборатория, често водят до нанокристални структури на шестоъгълен диамант, като тези проби често са нечисти, което затруднява изучаването на шестоъгълния диамант.

"Сега успяхме да направим парче от почти чист шестоъгълен диамант с размер на милиметър", разказва Хо-Куан Мао (Ho-Kwang Mao) от Центъра за напреднали изследвания в областта на науката и технологиите за високо налягане в Китай.

Шестоъгълният диамант се състои от извити слоеве тип "пчелна пита", подобни на графита.Шестоъгълният диамант се състои от извити слоеве тип "пчелна пита", подобни на графита. Кредит: Liuxiang Yang et al/Springer Nature Limited 2025

За да направят това, Мао и неговият екип в САЩ и Китай прилагат налягане, около 200 000 пъти атмосферното, върху монокристал от чист графит, използвайки диамантена наковалня. Рентгеновата дифракция in situ (на място) преди и след прилагане на това налягане позволява на учените да наблюдават с микроскоп превръщането на графита в хексагонален диамант. Докато пробата все още е под налягане, лазерното нагряване до 1400°C стабилизира пробата, позволявайки на изследователите да възстановят и впоследствие да изследват почти чистата проба.

"Този нов двуетапен метод предоставя първите окончателни доказателства за хексагоналния диамант като отделен и възстановим материал", отбелязва Ейичи Накамура (Eiichi Nakamura), неорганичен химик в Токийския университет, който преди това е работил върху въглеродни алотропи.

Алотроп

Алотропът представлява една от няколко форми на химичен елемент, които съществуват в едно и също физическо състояние, но имат различно структурно разположение на атомите. Тези различни структури водят до вариации в химичните и физичните свойства на елемента. Най-известният пример е въглеродът, които има алотропни форми като диамант и графит.

Чрез този метод екипът синтезира кристали от почти чист хексагонален диамант, съдържащи няколко микрокристала от по-познатия кубичен диамант. Кристалите варират с размер от 100 μm до няколко милиметра, което бележи първото образуване на отделно и възстановимо количество от материала.

Трансмисионна електронна микрография на структурата на хексагоналния диамантТрансмисионна електронна микрография на структурата на хексагоналния диамант. Кредит: Liuxiang Yang et al/Springer Nature Limited 2025

"Ако се направи [модела на свързване на въглеродните атоми] триизмерен, има само два начина за опаковане на слоевете", обяснява Мао. "Има ABC опаковане в кубичния диамант и AB опаковане за хексагоналния."

Трансмисионната електронна микроскопия с висока резолюция потвърди, че пробата има AB подреждане на извити слоеве тип "пчелна пита", структура, показваща, че това е хексагонален диамант.

Учените изследват структурата допълнително, използвайки различни спектроскопски техники.

"Открихме, че една от връзките между слоевете всъщност е по-къса в сравнение с останалите три, така че това помага да се обясни защо структурата е по-здрава [в сравнение с кубичния диамант]", посочва Мао. Резултатите също така показват, че всички връзки са sp³σ връзки, без sp²π връзки, които биха сигнализирали за наличието на графит.

Екипът е проверил и твърдостта на материала, използвайки диск с диаметър 1 мм от шестоъгълен диамант, установявайки, че твърдостта е сравнима с тази на естествения диамант, поради незначителни кубични дефекти на диаманта.

Бъдещите изследвания вероятно ще се фокусират върху усъвършенстване на условията на синтез, като Накамура отбелязва, че "това постижение в синтеза бележи важен етап в изучаването на въглеродните алотропи".

Справка: Yang, L., Lau, K.C., Zeng, Z. et al. Synthesis of bulk hexagonal diamond. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09343-x 

Източник: News Rare diamond with unique hexagonal structure is harder than natural counterpart, Mason WakleyMason Wakley

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !