Химия

Алмаз, как самый твердый из известных природных минералов, ценится не только в ювелирной индустрии, но и — за счет исключительной теплопроводности и оптических свойств — в промышленности. Однако искусственно выращенные из графита алмазы превосходят натуральные по твердости, хотя синтезировать их очень сложно. Ученые из Китая смогли получить такой образец с гексагональной кристаллической решеткой без примесей.

Фактически алмазы существуют в двух структурных кристаллических формах: кубической и гексагональной. Лонсдейлит, или гексагональный алмаз (HD), представляет собой аллотроп углерода с гексагональной кристаллической структурой. Его обнаружили в наноструктуре метеорита Каньон-Дьябло в 1967 году. Теоретические расчеты показали, что этот драгоценный материал обладает исключительными физическими свойствами, превосходящими характеристики традиционного — кубического.

В лонсдейлите атомы углерода образуют слои, соединенные между собой гексагональными кольцами, а не кубическими структурами, в которых кристаллическая решетка при механическом воздействии может сдвигаться, что приводит к дефектам и дальнейшему раскалыванию.

В кристаллах гексагонального алмаза однородных линий сдвига, по которым могут распространяться изломы, нет, и это придает ему сверхпрочность, необходимую при производстве сверхтвердых режущих инструментов (суперабразивов, буровых долот), биодатчиков или широкозонных полупроводников, позволяющих устройствам работать при более экстремальных напряжениях, частотах и температурах, чем обычные полупроводниковые материалы.

До сих пор синтезировать лонсдейлит материаловедам удавалось лишь в очень небольшом объеме и с примесями. Предыдущие исследования показали, что графит превращается в гексагональный алмаз при высоких температурах и ударных сжатиях, возникающих во время падения метеорита. Ученые из Цзилиньского университета (Китай) нашли «ключ», проведя высокоразрешающую просвечивающую электронную микроскопию и теоретические расчеты. Они выяснили, что трансформация начинается с образования зародышей алмаза, которые затем растут внутри графитовой матрицы. Результаты работы физики опубликовали в журнале Nature.

Получить сравнительно крупный — диаметром один миллиметр и толщиной 70 микрометров — образец китайским ученым удалось путем сжатия и нагревания высококачественных монокристаллов графита в сочетании температуры 1400 градусов Цельсия и давления 30 гигапаскалей, что почти в 300 тысяч раз больше атмосферного. При этом чистота оказалась почти 100-процентной.

Как отметили авторы научной статьи, в течение последних шести десятилетий синтез гексагонального алмаза был одним из главных направлений в материаловедении из-за его потенциала в прикладных областях. Новое исследование создает теоретическую и экспериментальную основу для перспективного применения лонсдейлита в создании сверхтвердых материалов и высокотемпературных технологиях.