Nilikha ng mga Siyentipikong Tsino ang Pinakamatigas na Diyamante sa Mundo, Wakas sa 60-Taong Siyentipikong Paghahanap

Bagong Yugto sa mga Superhard na Materyal

Nagawa ng mga mananaliksik na Tsino ang matagal nang pinagsisikapan ng mga siyentipiko sa buong mundo sa loob ng mahigit anim na dekada: lumikha ng purong heksagonal na diyamante sa maramihang anyo. Inilathala sa journal na Nature ang pambihirang tagumpay na ito. Ito ang unang pagkakataong nakapagsintesis ang mga siyentipiko ng mga sampol ng bihirang allotrope ng carbon na may sukat na milimetro—isang materyal na ayon sa teorya ay mas matigas kaysa sa karaniwang kubikong diyamante na nangibabaw sa antas ng katigasan ng Mohs sa loob ng maraming henerasyon.

Sa bisa ng pananaliksik ng pangkat na binubuo ng mga pisiko mula sa Zhengzhou University, Jilin University, at Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research, natapos na ang matagal nang kontrobersiyang siyentipiko kung umiiral nga ba ang heksagonal na diyamante bilang natatanging materyal. Pinatutunayan ng kanilang gawain na ang lonsdaleite, na unang natuklasan sa isang meteorite sa Arizona noong 1967, ay hindi basta kubikong diyamanteng may depekto kundi isang tunay na anyo ng carbon na may natatanging mga katangiang maaaring magpabago sa industriyal na pagmamanupaktura, inhinyeriya sa aerospace, at mga teknolohiya sa quantum sensing.

Di-gaya ng mga likas na diyamanteng nabubuo sa kailaliman ng mantle ng Daigdig na may kubikong pagkakaayos ng mga atomo, nakaayos ang mga atomo ng carbon sa heksagonal na diyamante sa isang estrukturang sala-sala na kahawig ng pulot-pukyutan. Dahil sa pagkakaayos na ito, nagkakaroon ng mas maiikli at mas matitibay na ugnayan sa pagitan ng mga suson, kaya posibleng mas matigas at mas matatag ito sa init kaysa sa mga tradisyonal na diyamanteng ginagamit sa mga panghiwa, kagamitang pambutas, at mga elektronikong aparatong may mataas na performance.

Higit pa sa isang usisero lamang sa laboratoryo ang sintesis na ito. Sa loob ng maraming dekada, dahil hindi nakakalikha ng purong heksagonal na diyamante sa daming sapat para masubukan, nanatiling teoretikal lamang ang mga katangiang ipinapalagay na mayroon ito. Sa mga naunang pagtatangka, mga kristal na nanoscale lamang na tumatagal nang ilang nanosegundo ang nalilikha, o kaya'y mga halo na nahahaluan ng grapayt at kubikong diyamante kaya imposibleng matukoy nang tiyak ang mga katangian nito. Sa paglikha ng mga kristal na may diyametrong mula 100 mikrometro hanggang 1.8 milimetro, naibigay ng pangkat na Tsino ang unang pagkakataon para sa masusing pagsusuri sa mekanikal na katangian ng mailap na materyal na ito.

Animnapung Taon ng Kontrobersiyang Siyentipiko

Nagsimula ang kuwento ng heksagonal na diyamante noong 1962, nang unang magmungkahi ang mga mananaliksik sa Pittsburgh Coal Research Center na maaaring mag-ayos ang mga atomo ng carbon sa heksagonal na sala-sala sa halip na sa pamilyar na kubikong estruktura. Nangako ang baryasyong ito sa teorya ng mas mataas na katigasan dahil sa natatangi nitong pagkakaayos ng mga ugnayan, ngunit kinailangan pang maghintay ng limang taon at ng isang paghahatid mula sa kalawakan bago mapatunayan ang pag-iral nito.

Noong 1967, inanunsyo ng mga heologo na nagsusuri sa mga piraso ng meteorite ng Canyon Diablo mula sa Barringer Crater sa Arizona ang pagkakatuklas ng isang bagong mineral. Ipinangalan ito bilang lonsdaleite bilang parangal kay Dame Kathleen Lonsdale, ang pangungunang kristalograpong nagtatag ng estruktura ng benzene. Lumilitaw na nabuo ang mga heksagonal na diyamanteng ito dahil sa matinding init at presyur nang tumama sa Daigdig ang meteorite, humigit-kumulang 50,000 taon na ang nakalilipas. Kalaunan, may natagpuan ding bakas nito sa meteorite ng Goalpara sa Assam, India.

Ngunit napaaga ang pagdiriwang. Ikinatwiran ng mga kritiko na hindi tunay na heksagonal na diyamante ang mga sampol na ito, kundi mga kubikong diyamanteng may mga depekto sa pagkakasalansan o magulong mga depekto na nagmistulang heksagonal lamang ang simetriya. Noong 2021, naglathala ang mga mananaliksik ng mga pag-aaral na nagmumungkahing mga baryante pala ng kubikong diyamante na napagkamalan ang lahat ng dati nang natukoy na sampol ng lonsdaleite. Nagpatuloy ang pag-aalinlangan dahil wala pang laboratoryong nakalilikha ng purong heksagonal na diyamante sa daming sapat upang tuluyang resolbahin ang usapin.

Pagsasakatuparan ng Pambihirang Tagumpay

Nakasalalay ang tagumpay ng pangkat na Tsino sa pagbuo ng bago at mataas na presyur at temperatura na teknik upang matugunan ang kawalang-tatag ng heksagonal na diyamante sa ilalim ng mga kondisyon ng thermodynamic. Bagaman nananatiling pinakastableng anyo ng carbon na may sp3 bond ang kubikong diyamante sa mga presyur na hanggang 2 terapaskal, napagtanto ng mga mananaliksik na kailangang kontrolin ang pagbuo ng heksagonal na diyamante sa pamamagitan ng maingat na pagmamanipula sa hugis ng panimulang materyal at mga kondisyon ng sintesis.

Gumamit ang mga mananaliksik ng highly oriented pyrolytic graphite, isang sintetikong materyal na carbon na may maayos na nakaayos na mga suson ng atomo. Bumuo sila ng natatanging sistema na pinagsama ang isang piston-cylinder press na gumagamit ng high-strength na siksik na aluminum oxide at isang multi-anvil press. Dahil sa pagkakaayos na ito, naidiin nila ang grapayt pangunahin sa direksiyon ng z-axis, patayo sa mga suson ng carbon, sa halip na idiin ito mula sa mga gilid.

Sumailalim ang mga sampol sa presyur na 20 gigapaskal, o humigit-kumulang 200,000 ulit ng presyur sa atmospera ng Daigdig sa antas ng dagat, sa loob ng sampung oras. Umabot ang temperatura sa 2,300 hanggang 3,450 digri Fahrenheit (1,300 hanggang 1,900 digri Celsius). Sa pamamagitan ng real-time na pagsubaybay gamit ang in-situ X-ray diffraction, namasdan ng mga siyentipiko ang proseso ng pagbabago sa antas ng mikroskopyo. Nakumpirma nito ang martensitic transformation, kung saan naging heksagonal na diyamante ang heksagonal na grapayt dahil sa pagdulas ng mga suson at tuwirang pagbubuo ng mga ugnayan sa pagitan ng mga suson ng grapayt.

Pagsukat sa Mas Mahusay na Performance

Nang magkaroon na ng mga sampol na may sukat na milimetro, naisagawa ng pangkat ng mga mananaliksik ang tiyak na mga pagsusuring mekanikal. Gamit ang Vickers hardness test at iba pang pangsuri, sinukat nila ang resistensiya ng materyal sa pagkagasgas at pagde-porma. Ipinakita ng mga resulta na umabot sa 114 hanggang 165 gigapaskal ang katigasan ng heksagonal na diyamante, kumpara sa humigit-kumulang 110 gigapaskal ng mga likas na kubikong diyamante. Malaking pagtaas ito sa katigasan, bagaman bahagyang mas mababa sa 50% na pagtaas na unang ipinagpalagay sa mga naunang prediksiyon.

Bukod sa katigasan, nagpakita ang materyal ng kahanga-hangang katatagan sa init at nakaiwas sa oksidasyon sa temperaturang hanggang 1,100 digri Celsius. Tinutugunan ng katangiang ito ang isang mahalagang limitasyon ng mga kubikong diyamante, na maaaring magkaroon ng mga depekto sa ibabaw kapag nalantad sa oxygen sa matataas na temperatura habang ginagamit sa industriyal na pagbabarena o paghiwa. Ipinahihiwatig ng tigas ng estrukturang heksagonal at resistensiya nito sa oksidasyon na maaari itong gamitin sa matitinding kapaligirang hindi kayang tiisin ng mga tradisyonal na diyamante.

Kinumpirma ng pagsusuri sa estruktura gamit ang high-resolution transmission electron microscopy ang AB stacking ng mga suson na sala-salang nakaumbok, na katangian ng heksagonal na diyamante. Ipinakita ng pagsusuring spektroskopiko na pawang sp3 sigma bond ang mga ugnayan at walang sp2 pi bond na magpapahiwatig na may natirang kontaminasyon ng grapayt. Kapansin-pansin, mas maikli sa iba pang tatlo ang isang ugnayan sa pagitan ng mga suson, na nagpapaliwanag sa mas mataas na tibay ng estruktura nito kumpara sa kubikong diyamante.

Mga Aplikasyong Pang-industriya at Pang-agham

Nagbubukas ng mga posibilidad para sa mga aplikasyong dating nalilimitahan ng hangganan ng performance ng kubikong diyamante ang paglikha ng heksagonal na diyamante sa maramihang anyo. Tinukoy ni Chong-Xin Shan, kapwa pangunahing may-akda ng pag-aaral at pisiko sa Zhengzhou University, ang ilang larangang may malaking potensiyal.

May potensiyal itong magamit sa maraming larangan, halimbawa, sa mga panghiwa, materyales para sa pamamahala ng init, at quantum sensing,

sinabi ni Shan sa Nature.

Partikular na makikinabang ang mga sektor ng aerospace at depensa. Dahil sa higit na katigasan at katatagan sa init ng heksagonal na diyamante, mainam ito para sa mga aplikasyon sa makinang panghiwa at pagbabarena na nangangailangan ng sukdulang katumpakan at tibay. Di-gaya ng mga likas na diyamanteng limitado ng pagmimina at mga alalahanin sa etika, maaaring magbigay ang mga heksagonal na diyamanteng pinalaki sa laboratoryo ng napapanatiling alternatibo na may mas mahusay na mga katangian.

Sa larangan ng heolohiya, nagbibigay ang sintesis ng mahahalagang kaalaman tungkol sa mga prosesong nagaganap kapag tumama ang meteorite. Nakatutulong sa mga siyentipiko ang pag-unawa kung paano nabubuo ang mga heksagonal na diyamante sa ilalim ng matinding presyur at temperatura upang matukoy ang mga pangyayaring dulot ng impact at mabuo muli ang kasaysayan ng pagbuo ng mga planeta sa ating sistemang solar. Nagiging malinaw na ngayon ang paglitaw ng lonsdaleite sa mga meteorite gaya ng Canyon Diablo bilang bunga ng mga partikular na kondisyon ng shock metamorphism na matagumpay na ginaya ng pangkat na Tsino.

Pagpapatibay ng Pandaigdigang Komunidad ng mga Siyentipiko

Nakatanggap ng malaking pansin ang pananaliksik mula sa pandaigdigang komunidad ng mga siyentipiko. Nagbigay ng matibay na pagpapatibay sa mga natuklasan si Oliver Tschauner, isang kristalograpo sa University of Nevada, Las Vegas na nagsagawa ng peer review sa pag-aaral para sa Nature.

Daan-daan na ang mga pahayag ng mga taong naniniwalang nakita nila ito, ngunit ito ang unang napakatumpak na paglalarawan sa mailap na materyal na ito,

pahayag ni Tschauner.

Binigyang-diin ni Eiichi Nakamura, isang inorganic chemist sa University of Tokyo na dati nang nagsaliksik sa mga allotrope ng carbon, ang kahalagahan ng metodolohiya.

Nagbibigay ang bago at dalawang-hakbang na paraang ito ng unang tiyak na ebidensiya na umiiral ang heksagonal na diyamante bilang natatanging materyal sa maramihang anyo na maaaring mabawi,

pahayag ni Nakamura.

Binanggit naman ni Ho-kwang Mao, eksperto sa mataas na presyur at dayuhang miyembro ng Chinese Academy of Sciences, ang mas malawak na implikasyon nito sa agham ng mga materyal.

Inaasahang magbubukas ng mga bagong landas ang sintetikong heksagonal na diyamanteng ito para sa pagbuo ng mga superhard na materyal at high-end na elektronikong aparato,

sinabi ni Mao sa South China Morning Post.

Sa kabila ng pananabik, kinikilala ng mga mananaliksik na may mga hamon pang kailangang lutasin bago ito maipakomersiyo. Nililimitahan ng espesyalisadong kagamitang may mataas na presyur na kailangan sa sintesis ang kasalukuyang kapasidad ng produksiyon. Dahil dito, malamang na sa mga niche market na may mataas na halaga muna ito gagamitin, gaya ng mga instrumentong pang-agham na nangangailangan ng katumpakan at espesyalisadong pang-industriyang panghiwa, sa halip na sa alahas para sa malawak na pamilihan.

Ang Mahahalagang Punto

• Sa unang pagkakataon, nakapagsintesis ang mga siyentipikong Tsino ng purong heksagonal na diyamante (lonsdaleite) na may sukat na milimetro, kaya nagwakas ang 60-taong kontrobersiyang siyentipiko kung umiiral ito bilang natatanging materyal.
• May katigasan itong 114 hanggang 165 gigapaskal, mas mataas kaysa sa humigit-kumulang 110 gigapaskal ng mga likas na kubikong diyamante, at mas matatag din ito sa init hanggang 1,100 digri Celsius.
• Idiniin ng mga mananaliksik ang highly oriented pyrolytic graphite sa presyur na 20 gigapaskal (200,000 ulit ng presyur sa atmospera) at temperaturang 1,300 hanggang 1,900 digri Celsius sa loob ng 10 oras upang maganap ang pagbabago.
• Kabilang sa mga posibleng aplikasyon nito ang mga advanced na panghiwa, sistema ng pamamahala ng init para sa mga elektronikong kagamitan, aparatong quantum sensing, at mga piyesa ng aerospace na nangangailangan ng sukdulang tibay.
• Tinutuldukan ng pambihirang tagumpay na ito ang matagal nang pag-aalinlangan kung umiiral ang heksagonal na diyamante bilang hiwalay na anyo ng carbon o kung isa lamang itong kubikong diyamanteng may mga depekto sa estruktura.