In november 2020 werd een artikel gepubliceerd over de synthese van a nanokristallijn diamant en lonsdaleiet bij kamertemperatuur, iets wat tot op heden voor onmogelijk werd gehouden.
De synthese werd uitgevoerd onder een druk van 80Pa uit een niet-kristallijn koolstofmonstermonster. Dit was alleen mogelijk met een hoge druk en schuifspanning, die beide "belangrijk zijn voor het bevorderen van fasevorming omdat ze kinetische barrières kunnen helpen overwinnen", volgens het artikel.
De resultaten van het onderzoek zijn gebaseerd op het gebruik van een veelgebruikte elektronenmicroscopietechniek in de kristallografie, het experimentele veld dat de rangschikking van atomen in kristallijne vaste stoffen bestudeert, in het geval van dit artikel Diamant en Lonsdaleiet.
Diamant, het kleine (of niet) en kostbare stukje glimmend gesteente, is niet alleen een duur sieraad, maar ook een enorm belangrijk materiaal vanwege zijn eigenschappen, waardoor het in normale en extreme omgevingen kan worden gebruikt.
Enkele nuttige eigenschappen zijn extreme hardheid, hoge thermische geleidbaarheid en het kan ook worden gebruikt in onder andere biomedische toepassingen.
Lonsdaleiet is een diamantachtig materiaal met weinig verschillen in de kristalstructuur in vergelijking met diamant. kubische kristalstructuur met een tetraëdervormig gebonden koolstof, heeft Lonsdaleite een hexagonale kristalstructuureen minder vaak voorkomende vorm van herschikking.
Het meeste onderzoek naar diamantsynthese maakt melding van de noodzaak van twee excitatievormen om de hoge kinetische barrière van materiaalfaseveranderingen te overwinnen.
Om diamant en lonsdaleiet in het lab te synthetiseren, worden meestal hoge druk en verhoogde temperatuur gebruikt.
Wetenschappers hebben tegenwoordig een diagram dat de fysieke toestand van een materiaal weergeeft op basis van temperatuur en druk, genaamd de fasendiagram. Zeer beroemd en Een handig hulpmiddel voor wetenschappers om te weten welke temperatuur en druk nodig zijn om een bepaalde toestand te bereiken, zoals vast, vloeibaar of gasvormig. In atomen van koolstof zijn grafiet en diamant twee voorbeelden van vaste toestanden.
Als je kijkt naar de koolstofdiagramDe diamanttoestand zou kunnen worden bereikt bij kamertemperatuur boven de druk van 2GPa, maar in werkelijkheid moet er rekening worden gehouden met andere factoren, factoren die een enorm verschil kunnen veroorzaken in het uiteindelijke resultaat. Een van deze factoren die in het artikel worden genoemd is schuifspanning.
Schuifspanning staat bekend als een proces waarbij parallelle lagen door elkaar glijden. Een heel eenvoudig voorbeeld hiervan is wanneer je je handen tegen elkaar legt en over elkaar begint te glijden - bijvoorbeeld wanneer je het koud hebt en je je handen wilt opwarmen - deze beweging creëert schuifspanning in de handen of in het gebruikte materiaal.
De schuifspanning kan de faseverandering van materialen bevorderen. Als we de temperatuur buiten beschouwing laten, blijkt schuifspanning een belangrijke component te zijn van hoe "diamant kan worden gevormd in een veel breder scala van omgevingen, zowel terrestrisch als buitenaards, dan eerder werd aangenomen", maar er zijn veel meer onderzoeken nodig om de schuifspanningseffecten te bevestigen. De vorming van lonsdaleiet wordt ook in verband gebracht met schuifspanning.
In een poging om diamant en lonsdaleiet te produceren bij kamertemperatuur, zetten wetenschappers glasachtige koolstofmonsters onder een compressie van 80×109Pa - dat is veel druk, veel, veel meer dan de druk die je voelde bij een gewone toets op de universiteit.
Dit aantal komt overeen met bijna 800 duizend atmosfeerdruk - we leven onder slechts één atmosfeer.
Wetenschappers analyseerden de resultaten van de monsters met behulp van drie verschillende soorten elektronenmicroscopietechnieken. Raman spectroscopie, röntgendiffractie en TEM (transmissie elektronenmicroscopie). Laten we ze allemaal eens bekijken.
De Raman spectroscopie is een techniek die een structurele vingerafdruk geeft van een specifiek materiaal met behulp van de trillingsmodes van moleculen.
Het monstermateriaal interageert met een monochromatisch licht - meestal een laser - waarbij fotonen worden geabsorbeerd en uitgezonden op een inelastische verstrooiende manier, met andere woorden, de moleculaire trilling van het monster absorbeert een aantal fotonen, waarbij de geabsorbeerde hoeveelheid verschilt van de hoeveelheid die wordt uitgezonden.
Dit verschil wordt gedetecteerd en het uiteindelijke resultaat stelt wetenschappers in staat om structurele informatie van het monster te krijgen.
De röntgendiffractie techniek maakt gebruik van een elektronenbundel in plaats van monochromatisch licht. Wanneer de röntgenstraal het monster bereikt, diffracteert deze in veel verschillende hoeken en richtingen op basis van de ordeningspatronen van de atomen in de kristalstructuur.
Wetenschappers kunnen deze hoeken en intensiteiten van de gebroken bundel meten en de gegevens omzetten in een driedimensionaal beeld met de posities van de atomen in het kristal.
De TEM, transmissie-elektronenmicroscopie is een microscopietechniek die gebruikmaakt van een elektronenbundel in plaats van licht en van röntgendiffractie.
Het monster wordt blootgesteld aan de bundel, die er doorheen gaat en een beeld produceert met behulp van een fluorescentiedetector.
Deze techniek vereist een monstervoorbereiding op een rooster en wordt bestempeld als een ontwijkende techniek vanwege monsterverlies, dat wordt vernietigd tijdens de analyse.
Na de poging om een diamant te produceren, ontdekten onderzoekers via Raman dat de monsters alleen uit grafiet bestonden.
De röntgendiffractiepatronen lieten echter een ander resultaat zien, waarbij de aanwezigheid van lonsdaleiet (12%), diamant (3%) en grafiet (85%) werd aangetoond.
Deze afwijkende resultaten worden verklaard door de verschillen tussen de technieken. Raman kan alleen het oppervlak van materialen analyseren, terwijl röntgendiffractie door de hele dikte van het monster kan gaan.
In het algemeen bewijst dit resultaat dat de vorming van harde materialen zoals diamant niet alleen het resultaat is van druk en temperatuur.
En andere factoren kunnen materiaalvorming veroorzaken, zoals schuifspanning of factoren die de wetenschap nog niet eens kent.
Misschien kan de wetenschap in de toekomst, wanneer deze compressietechniek zich beter heeft bewezen en de diamantproductie goedkoper is geworden, het materiaal ten volle benutten.
_____
Ben je al een Let op de grafiek gebruiker? Als dat niet het geval is, kun je beginnen op dit moment! Je kunt ook klikken op hier om onze galerij met wetenschappelijke illustraties te bekijken, hoef je niet bij nul te beginnen met je project!
Abonneer u op onze nieuwsbrief
Exclusieve inhoud van hoge kwaliteit over effectieve visuele
communicatie in de wetenschap.
Dutch 
English 
Chinese 
Japanese 
German 
Spanish 
Portuguese 
Russian 
French 
Italian