Китайські вчені успішно синтезували шестикутний алмаз із розміром 100 мікрометрів

Після майже десяти років безперервних досліджень міжнародна дослідницька група науково -дослідних центрів високої напруги та Інституту оптики Сіань та тонкої механіки, Китайська академія наук, здійснила великий прорив. Дослідники успішно перетворили високоякісний графіт монокристалічного попередника в шестикутній алмаз на рівні мікрометра, і це досягнення було опубліковано в міжнародному авторитетному журналі Nature 30-го.

 

Шестикутний алмаз демонструють механічні властивості, порівнянні з кубічним алмазом. На відміну від кубічних алмазів, що мають лише одну довжину вуглецю вуглецю, шестикутні алмази демонструють дві різні характеристики розподілу довжини зв'язку. Повідомляється, що міжшарове відстань значно скорочується, і цей унікальний метод укладання атомів вуглецю може ефективно подолати притаманну слабкість ковзання на щільній поверхні кубічного алмазу.

 

Синтез шестикутного алмазу завжди був головним викликом у науковій спільноті. Ще в 1967 році американські вчені вперше виявили цей рідкісний "супер -алмаз" у метеоритному кратері, який привернув велику увагу завдяки його шестикутній кристалічній структурі. Однак умови формування шестикутних алмазів надзвичайно суворі, і раніше вони могли співіснувати лише з метеоритами на нанорозмірному масштабі.

 

Дослідницька група інноваційно розробила експериментальний план високого температури та високого тиску. Вчені провели дослідження на місцях щодо структурних змін графіту під умовами надвисокого тиску та високої температури за допомогою технології лазерного нагрітого алмазного ковзання. Експерименти встановили, що графіт утворює структуру високого тиску "після графітової фази" у діапазоні високого тиску, а потім шестикутний алмаз успішно отримується за допомогою локального нагрівання.

 

У той же час дослідницька група поєднала широкомасштабне моделювання теорії молекулярної динаміки, щоб виявити вирішальну роль конфігурації укладання графітового шару у формуванні шестикутних діамантових структур. Це відкриття підтверджує новий шлях для графіту для формування шестикутного алмазу за допомогою фази після графіту, відкривши нові технологічні напрямки для підготовки матеріалів Superhard.

 

Експериментальні дані показують, що синтезований шестикутний алмаз має твердість до 155 гпА, що перевищує природний алмаз більш ніж на 40%. У вакуумному середовищі його теплова стабільність може досягти 1100 градусів, що значно краще, ніж продуктивність 900 градусів нанодіамондів. Ці чудові фізичні властивості роблять шестикутні алмазні діаманти великим потенціалом у промислових застосуванні.

 

Це систематичне дослідження припинило понад 60 років академічної суперечки щодо макроскопічного існування шестикутних алмазів. Результати досліджень не лише дають вагомі докази незалежного існування шестикутного алмазу, але й закладають міцну основу для його розвитку як нового покоління високоефективних функціональних матеріалів. Очікується, що цей прорив призведе до сприяння технологічним інноваціям у галузі суперарверних матеріалів та введе новий поштовх у розробку суміжних галузей.

 

Що такеШестикутний діамант?

Шестикутний алмаз (HD), який також називають Lonsdaleite,-це шестикутна алотроп вуглецю, в якому кожен атом вуглецю є SP³-гібридизованим і тетраедрально скріплений з чотирма сусідами, утворюючи тривимірну ковалентну рамку. Перший прогнозований у 1962 році та ідентифікований у 1967 році в метеоритному матеріалі з Каньйону Діабло (Арізона), він був названий на честь кристалографа Кетлін Лонсдейл. Протягом десятиліть були доступні лише нанорозмірні фрагменти або невпорядковані міжродження, тому його існування як чітка фаза та її внутрішні властивості залишалися суперечливими. У 2025 році команда під керівництвом професора Хо-Кванга (Дейв) Мао в Центрі наукових досліджень та технології високого тиску, синтезованого міліметрового, високопорядкованого однофазного лонсдалайта шляхом стиснення та нагрівання високоякісних графітових одноразових кристалів під контрольованим квазі-гідростатичним тиском. Електронна мікроскопія виявила пряме перетворення графіту (1010) в HD (0002) та графіт (0002) в HD (1010). Отримані зразки-це майже чистий Lonsdaleite з лише слідами кубічних діамондів і виявляють твердість, трохи перевищуючи абічний алмаз.

 

Чим Lonsdaleite відрізняється від кубічного алмазу?

Lonsdaleite (шестикутний діамант) відрізняється від кубічного алмазу чотирма ключовими способами:

1 кристалічна симетрія та укладання
• Lonsdaleite: шестикутна решітка, космічна група P6₃/MMC; Вуглецеві шари, пов'язані з СПдитом, укладаються в послідовність AB-AB вздовж осі С.
• Кубічний алмаз: ґратка, орієнтована на обличчя, ключа, космічна група FD-3M; Шари дотримуються послідовності ABC-ABC.

 

2 параметри решітки
• lonsdaleite: a ≈ 2,51 Å, c ≈ 4,12 Å.
• Кубічний алмаз: a=3.5668 Å.

 

3 Стабільність та енергія
• Lonsdaleite становить ~ 0,025 еВ на атом вище енергії, ніж кубічний алмаз, що робить його метастабельним.

 

4 Механічні властивості
• Теорія та недавні мм-масштабні синтези свідчать про те, що Lonsdaleite дещо складніше (стійкість до відступу ~ 152 ГПа, 58 %

Більше на площині {0001} проти Diamond {111}).
• Кубічний алмаз залишається орієнтиром для твердості (MOHS 10) і легше синтезується в оптовій формі.

 

Отже, шестикутне укладання Lonsdaleite і трохи довша геометрія зв'язку дають їй незначно перевершені теоретичні твердість, тоді як кубічний алмаз пропонує більшу термодинамічну стабільність та легкість виробництва.