Diament od zawsze był uważany za najtwardszą substancję w przyrodzie, ale ten status może wkrótce zostać obalony. Chiński zespół badawczy opublikował niedawno w czasopiśmie „Nature” przełomowe badanie, w którym z powodzeniem zsyntetyzował materiał węglowy — blokowy diament heksagonalny (Hexagonal Diamond, w skrócie HD) — który teoretycznie jest o 60% twardszy od diamentu. To osiągnięcie nie tylko podważa tradycyjne przekonania, ale także może otworzyć nowe perspektywy dla przyszłych materiałów supertwardych i zastosowań w zaawansowanych technologiach.
Spis treści:
Różnice między diamentem a lonsdaleitem: struktura kubiczna a heksagonalna
Tradycyjny diament należy do struktury „sieci sześciennej”, w której każdy atom węgla tworzy stabilne wiązania kowalencyjne typu sp³ z czterema sąsiednimi atomami węgla, tworząc trwałą sieć tetraedryczną. Taki układ nadaje diamentowi niezwykle wysoką twardość oraz doskonałe właściwości fizyczne.
Jednak już 60 lat temu naukowcy przewidywali istnienie innej formy struktury węgla — diamentu heksagonalnego , który posiada układ sieci heksagonalnej, odmienny od diamentu sześciennego. Teoretycznie ta struktura przewyższa tradycyjny diament pod względem właściwości mechanicznych, jednak przez długi czas pozostawała niezwykle trudna do syntezy w czystej postaci.
Naturalny HD (Lonsdaleit): dowody pochodzenia z kosmosu
W naturze naukowcy odkryli śladowe ilości diamentu heksagonalnego w miejscach uderzeń meteorytów. Na przykład lonsdaleit, naturalnie występująca forma diamentu HD, znajduje się w kraterze Diablo w Arizonie w USA. Minerały te często powstają w środowiskach o wysokiej temperaturze i ciśnieniu, powstających w wyniku uderzenia meteorytów w grafit.
Jednakże te naturalne próbki są często zmieszane z innymi fazami węglowymi, takimi jak grafit czy diament sześcienny, i mają wyjątkowo małe cząsteczki i bardzo niską czystość, co sprawia, że nie nadają się do praktycznego zastosowania w naukach o materiałach.
Przełom w badaniach: udana synteza czystego, masywnego sześciokątnego diamentu
Po ośmiu latach wielokrotnych eksperymentów, zespół badawczy z Centrum Badań Naukowych Wysokich Ciśnień w Pekinie w końcu zsyntetyzował blok kryształów HD o czystości bliskiej 100%. Mierzący 1 mm średnicy i 70 mikronów grubości, jest największą i najczystszą próbką eksperymentalną do tej pory.
Wykorzystując wysokiej jakości monokrystaliczny grafit jako materiał wyjściowy, naukowcy zastosowali bardzo jednorodne ciśnienie i wysoką temperaturę w specjalistycznej komórce kowadełkowej z diamentem (DAC) i prasie wielokowadełkowej, aby zasymulować warunki panujące podczas uderzenia meteorytu. Wykorzystali również promieniowanie synchrotronowe i mikroskopię elektronową do potwierdzenia struktury. To pierwsza udana produkcja dużych, w pełni ustrukturyzowanych kryształów HD w warunkach wewnętrznych.
Tajemnice struktury na poziomie molekularnym: silniejsze wiązania między warstwami
Wykorzystując zaawansowane techniki, takie jak spektroskopia Ramana i spektroskopia w podczerwieni, zespół odkrył, że wszystkie wiązania węglowe w strukturze HD to wiązania sp³ σ, bez wiązań sp² π (charakterystycznych dla grafitu). Na szczególną uwagę zasługuje fakt, że jeden rodzaj wiązania między warstwami struktury HD jest znacznie krótszy niż pozostałe trzy. Wskazuje to na silniejsze siły międzywarstwowe, co przyczynia się do jej wysokiej twardości.
W teście twardości Vickersa, HD wykazał wartość , znacznie wyższą niż odporność na odkształcenia plastyczne tradycyjnych diamentów. Dowodzi to, że jego supertwardość jest nie tylko teoretyczna, ale można ją również potwierdzić eksperymentalnie.
Potencjalne zastosowania HD: od narzędzi wiertniczych po technologię kwantową
Jeśli w przyszłości materiały HD będą mogły być produkowane w jeszcze grubszych i większych ilościach, ich potencjalne zastosowania będą ogromne. Po pierwsze, mogą być wykorzystywane jako supertwarde materiały narzędziowe w wierceniach geotermalnych, głębokim wydobyciu minerałów oraz w wysoce odpornych na zużycie elementach mechanicznych.
Ponadto, ze względu na wysoką stabilność mechaniczną i doskonałą strukturę sp³, HD może odgrywać kluczową rolę w najnowocześniejszych technologiach, takich jak urządzenia do obliczeń kwantowych, układy mikroelektromechaniczne (MEMS) i komponenty elektroniczne o wysokiej częstotliwości.
To nie tylko diament: kamień milowy w nauce i przyszłości materiałów
Nazwa diament pochodzi od greckiego słowa „adámas”, oznaczającego „niepokonany”. Odkrycie diamentu heksagonalnego może na nowo zdefiniować nasze rozumienie „najtwardszej substancji”. To nie tylko kamień milowy w nauce o materiałach, ale także symbol kolejnego przełomu w zdolności ludzkości do pokonywania ograniczeń natury.
Dalsza optymalizacja warunków procesu, zwiększenie czystości prekursora i regulacja parametrów, takich jak ciśnienie i temperatura, mają umożliwić masową produkcję tego materiału węglowego, twardszego od diamentu, co stworzy solidniejsze podstawy dla przemysłu high-tech i ery kwantowej.
Odniesienia:
- Przyroda (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09343-x
- Naukowcy z powodzeniem syntetyzują diament heksagonalny, który jest o 60% twardszy od diamentu
- Naukowcy zaprojektowali superdiamenty o teoretycznie przewidzianej heksagonalnej strukturze krystalicznej
W zakresie szlifowania oferujemy indywidualne dostosowanie. Możemy modyfikować proporcje zgodnie z Twoimi potrzebami, aby osiągnąć najwyższą wydajność.
Zapraszamy do kontaktu, nasi specjaliści odpowiedzą na Twoje pytania.
Jeśli potrzebujesz wyceny, skontaktuj się z nami.
Godziny obsługi klienta: poniedziałek – piątek 09:00-18:00
Numer kontaktowy：07 223 1058
Jeśli masz jakieś pytania, zapraszamy do wysłania wiadomości prywatnej na Facebooku!
Nasza strona na FB：https://www.facebook.com/honwaygroup
Być może zainteresują cię inne artykuły…
[wpb-random-posts]
