Chińscy naukowcy z powodzeniem zsyntetyzowali heksagonalny diament o wielkości 100 mikrometrów

Po prawie dziesięciu latach ciągłych badań Międzynarodowy Zespół Badawczy w Pekinie High Voltage Science Research Center i Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, dokonał znacznego przełomu. Naukowcy z powodzeniem przekształcili wysokiej jakości grafitowy prekursor pojedynczego kryształu w sześciokątny diament na poziomie mikrometru, a osiągnięcie to zostało opublikowane w autorytetu na całym świecie Nature Nature.

 

Sześciokątny diament Wykazuje właściwości mechaniczne porównywalne z diamentem sześciennym. W przeciwieństwie do diamentów sześciennych o długości jednej długości wiązania węgla, sześciokątne diamenty wykazują dwie różne charakterystyki rozkładu długości wiązania. Doniesiono, że odstępy międzywarstwowe są znacząco skrócone, a ta unikalna metoda stosowania atomów węgla może skutecznie przezwyciężyć nieodłączną osłabienie ślizgania się na gęstej powierzchni sześciennej diamentu sześciennego.

 

Synteza sześciokątnego diamentu zawsze była głównym wyzwaniem w społeczności naukowej. Już w 1967 roku amerykańscy naukowcy po raz pierwszy odkryli ten rzadki „super diament” w kraterze meteorytowym, który przyciągnął wiele uwagi ze względu na jego sześciokątną strukturę krystaliczną. Jednak warunki tworzenia sześciokątnych diamentów są wyjątkowo surowe, a wcześniej mogły one współistnieć tylko z meteorytami w nanoskali.

 

Zespół badawczy innowacyjnie zaprojektował plan eksperymentalny o wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Naukowcy przeprowadzili badania nad strukturalnymi zmianami grafitu pod bardzo wysokim ciśnieniem i warunkami wysokiej temperatury przy użyciu technologii gardłowej podgrzewanej laserowej. Eksperymenty wykazały, że grafit tworzy strukturę wysokiego ciśnienia „post fazę grafitową” w zakresie wysokiego ciśnienia, a następnie heksagonalny diament jest z powodzeniem uzyskiwany przez lokalne ogrzewanie.

 

Jednocześnie zespół badawczy połączył symulacje teorii dynamiki molekularnej na dużą skalę, aby ujawnić kluczową rolę konfiguracji układania warstwy grafitowej w tworzeniu sześciokątnych struktur diamentów. Odkrycie to potwierdza nową ścieżkę grafitu do tworzenia sześciokątnego diamentu poprzez fazę post -grafitową, otwierając nowe kierunki technologiczne w celu przygotowania materiałów nadprzestrzeniowych.

 

Dane eksperymentalne pokazują, że zsyntetyzowany heksagonalny diament ma twardość do 155 GPa, przekraczając naturalny diament o ponad 40%. W środowisku próżniowym jego stabilność termiczna może osiągnąć 1100 stopni, co jest znacznie lepsze niż wydajność 900 stopni nanodiamondów. Te doskonałe właściwości fizyczne sprawiają, że sześciokątny diament wykazuje ogromny potencjał w zastosowaniach przemysłowych.

 

To systematyczne badanie położyło kres ponad 60 lat kontrowersji akademickich dotyczących makroskopowego istnienia sześciokątnych diamentów. Wyniki badań nie tylko dostarczają mocnych dowodów na niezależne istnienie sześciokątnego diamentu, ale także stanowią solidną podstawę jego rozwoju jako nowej generacji wysokowydajnych materiałów funkcjonalnych. Oczekuje się, że ten przełom zwiększy innowacje technologiczne w dziedzinie materiałów nadrzędnych i wprowadzić nowy impuls do rozwoju powiązanych branż.

 

Co to jestSześciokątny diament?

Heksagonalny diament (HD), zwany także Lonsdaleite, jest sześciokątnym alotropem węgla, w którym każdy atom węgla jest hybrydyzowany i czworościennie związany z czterema sąsiadami, tworząc trójwymiarową kowalencyjną strukturę. Po raz pierwszy przewidywany w 1962 r. I zidentyfikowany w 1967 r. W materiale meteorytowym z Canyon Diablo (Arizona), został nazwany na cześć krystalografa Kathleen Lonsdale. Przez dziesięciolecia dostępne były tylko fragmenty nanoskali lub nieuporządkowane intergrows, więc jego istnienie jako odrębnej fazy i jej właściwości wewnętrzne pozostały kontrowersyjne. W 2025 r. Zespół prowadzony przez prof. Ho-Kwang (Dave) MAO w Center for High Press Science & Technology Advanced Research zsyntetyzowane milimetretyzowane, wysoce uporządkowane jednofazowe lonsdaleite poprzez kompresję i podgrzewanie wysokiej jakości grafitowych pojedynczych kryształów pod kontrolowanymi quasi-hydrostatycznymi presją. Mikroskopia elektronowa ujawniła bezpośrednią konwersję grafitu (1010) na HD (0002) i grafitu (0002) na HD (1010). Powstałe próbki to prawie czysty lonsdaleite z jedynie śladowymi wadami sześciennymi i wykazują twardość nieznacznie przekraczającą twardość diamentu sześciennego.

 

Czym Lonsdaleite różni się od diamentu sześciennego?

Lonsdaleite (sześciokątny diament) różni się od diamentu sześciennego na cztery kluczowe sposoby:

1 Symetria kryształów i układanie układu
• Lonsdaleite: sześciokątna sieć, grupa kosmiczna P6₃/MMC; Warstwy węgla związane z SP SN są ułożone w sekwencji AB-AB wzdłuż osi C.
• Diament sześcienny: sieć skoncentrowana na twarzy, FD-3M w grupie kosmicznej; Warstwy podążają za sekwencją ABC-ABC.

 

2 parametry sieci
• Lonsdaleite: A ≈ 2,51 Å, C ≈ 4,12 Å.
• Cubic Diamond: A=3.5668 Å.

 

3 stabilność i energia
• Lonsdaleite jest ~ 0,025 eV na atom wyższy w energii niż diament sześcienny, co czyni go metastabilnym.

 

4 właściwości mechaniczne
• Teoria i ostatnie synteza pojedynczych kryształów w skali MM wskazują, że lonsdaleit jest nieco trudniejszy (odporność na wgłębienia ~ 152 GPa, 58 %

trudniejszy na płaszczyźnie {0001} vs diamond {111}).
• Diament sześcienny pozostaje punktem odniesienia dla twardości (MOHS 10) i jest łatwiej zsyntetyzowany w postaci masowej.

 

W konsekwencji sześciokątne stosy Lonsdaleite i nieco dłuższa geometria wiązania nadają mu nieznacznie lepszą teoretyczną twardość, podczas gdy diament sześcienny oferuje większą stabilność termodynamiczną i łatwość produkcji.