Алмаз — один из самых твёрдых минералов на Земле. Его название происходит от греческого слова adámas, что означает «нерушимый». Учёные разработали новую форму алмаза, известную как объёмный гексагональный алмаз (ГД), — кристаллическую структуру с физическими свойствами, превосходящими характеристики обычного алмаза.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature, китайские учёные синтезировали объёмный гексагональный алмаз размером от 100 микрометров до миллиметров, используя высокоупорядоченную структуру. Для этого они сжимали и нагревали высококачественный графит — монокристаллы — в условиях максимально равномерного давления.
Созданный материал, который можно было восстановить в обычных условиях, открыл ранее недоступный структурный мир ГД, открыв новые возможности для изучения его потенциала как технологически превосходного материала.
Алмазы, благодаря своим уникальным химическим и физическим свойствам, находят применение в различных областях: от биосенсоров и квантовых вычислений до промышленных процессов в качестве суперабразивов и буровых долот.
Уникальная кубическая атомная структура алмаза, где каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами углерода посредством прочных sp³-связей, образует жёсткую тетраэдрическую сеть. Эти структуры затем формируют сотовые слои, которые накладываются друг на друга, образуя кубические кристаллы алмаза.
Естественные плоскости спайности, созданные этими слоистыми структурами, также являются причиной ограничения прочности алмаза. Исследования показывают, что это ограничение можно устранить путём выборочного укрепления и укорачивания межслоевых связей. Это преобразование, однако, превратило бы кубический алмаз в гексагональный кристалл.
Подобные трансформации нередки в природе. Например, ГД, также известный как лонсдейлит, был обнаружен в метеорите Каньон Диабло. В исследовании 2022 года предполагалось, что высокие температуры и ударные сжатия, возникающие во время падения метеорита, превращают графит в метеорите в ГД.
Учёные пытались воспроизвести подобные условия взрыва и высокого давления в лабораториях для получения искусственного лонсдейлита, но большинство образцов были слишком маленькими и часто нечистыми, что затрудняло выделение и изучение истинных свойств ГД.
Теперь исследователи успешно синтезировали высокоупорядоченный и почти чистый объёмный ГД, который был восстановлен в неизмененном виде в обычных условиях. Начиная с монокристаллического гексагонального графита, они создали контролируемую квазигидростатическую среду, применяя давление как можно более равномерно, чтобы минимизировать перепады напряжений, используя как ячейку с алмазным наковальней (ЯДН), так и пресс с большим объёмом и несколькими наковальнями.
Объёмный образец состоял из трёхкратного срастания плотно упакованных кристаллов размером примерно 100 нанометров, в основном состоящих из ГД с незначительными дефектами, включая следы кубического алмаза.
Исследование молекулярных механизмов с помощью спектроскопии показало полное преобразование sp²-связей в sp³-связи, что указывает на прямую кристаллографическую трансформацию из графита в алмаз.
Также было обнаружено, что межслоевые связи в ГД были более прочными и короткими, чем в обычном кубическом алмазе, что отразилось в тесте на твёрдость по Виккерсу — который измеряет сопротивление материала пластической деформации — где значения для ГД были немного выше.
Исследователи отмечают, что это исследование однозначно демонстрирует существование ГД как полноценной фазы углерода с превосходной твёрдостью, аналогичной кубическому алмазу. Они считают, что эксперименты с уровнями очистки графитового прекурсора и тонкой настройкой условий давления и температуры могут привести к созданию ещё более качественного ГД с превосходными свойствами.
© 2025 Science X Network