Vedci objavili chybu v tom, ako si myslíme, že sa grafit mení na diamanty

Andrey_Popov/Shutterstock

Diamanty sa zvyčajne dodávajú v dvoch „príchutiach“: kubická štruktúra cenená v šperkoch; a tvrdá, „šesťhranná“ forma kryštálu tzv lonsdaleite .

Vedci zistili, že na vytvorenie kubickej formy je potrebné viac energie ako predtým realizované , vyriešiť hádanku, ako vzniká lonsdaleit, a potenciálne nám pomôcť syntetizovať tvrdšie kryštály.

Ak chcete vyrobiť diamant, jednoducho stlačíte grafit na tlak približne 20 gigapascalov (alebo takmer 200 000-násobok atmosférického tlaku), čo vedie k jednému z dvoch rôznych usporiadaní uhlíka.



Atómy uhlíka majú tendenciu preskupovať sa do šesťuholníkových mriežok pri tlakoch tesne pod 20 gigapascalov a do kubických štruktúr, keď je tento tlak väčší.

Súčasné modely však predpovedajú, že by sme mali vidieť kubickú rozmanitosť pri oboch tlakoch, čo vedie výskumníkov k tomu Univerzita Fudan a Univerzita v Šanghaji v Číne použiť nový druh procesu modelovania na zistenie prečo.

Oba druhy diamantov a grafitu sú opísané ako alotrópy uhlíka, čo znamená, že všetky sú vyrobené z atómov uhlíka spojených rôznymi spôsobmi.

In grafit , každý atóm uhlíka tvorí väzbu s tromi ďalšími atómami, čím vznikajú ploché plástovité listy tzv grafén , ktoré sa pomerne ľahko odlupujú od priľahlých vrstiev.

Použitie veľkého množstva tlaku stlačí tieto vrstvy takým spôsobom, že atómy uhlíka v grafén môže vytvoriť väzbu so susednými plátmi, spájajúcimi vrstvy do 3D bloku kryštálu, ktorý poznáme ako diamant .

Existujú dva spôsoby, ako sa to môže stať – jeden, keď sa grafénové listy zoradia v rovnakom smere, a jeden, kde je každá po sebe idúca vrstva orientovaná v opačnom smere.

Číre, pekne brúsené diamanty, ktoré si užívame v našich zásnubných prsteňoch, sú zvyčajne vyrobené z listov grafénu, ktoré sú zarovnané.

Tento druh diamantu možno nájsť prirodzene vyvierajúci hlboko pod zemskou kôrou v stúpajúcich stĺpcoch magmy, ktoré sa ochladzujú do typu vyvretej horniny tzv. kimberlit .

Diamant, ktorý je vytvorený z vrstiev grafénu so striedajúcimi sa orientáciami, je opísaný ako šesťuholníkový a javí sa ako malé žltohnedé kryštály.

Tieto kryštály nazývané lonsdaleite sú mimoriadne zriedkavé, príležitostne nájdené ako chybné kryštály v okolí miest dopadov meteoritov.

Problém je v tom, že model popisujúci tvorbu diamantov predpovedá, že kubické diamanty by sa mali tvoriť pri tlakoch o niečo nižších ako 20 gigapascalov predtým, ako sa vytvorí lonsdaleit, pretože sa predpokladá, že na stlačenie zarovnaných grafénových listov do kubickej formy je potrebné menej energie ako šesťuholníková štruktúra.

Ale toto nie je to, čo vidíme v skutočnosti dáva chemikom trochu hádanky na vyriešenie.

Výskumníci použili typ simulácie nazývaný „stochastická povrchová chôdza“ na porovnanie rôznych spôsobov, akými by atómy mohli vytvárať väzby, keď sa grafit premenil na diamant – a na nájdenie tých, ktoré sa spoliehali na medziľahlé usporiadania s najnižšími energiami.

Ukázalo sa, že spojenie medzi grafénovou vrstvou a rastúcim kryštálom lonsdaleitu je stabilnejšie a menej napäté ako spojenie medzi vrstvou grafénu a kubickým diamantom.

Táto pridaná stabilita ovplyvňuje to, čo sa nazýva kinetika reakcie – rýchlosť, ktorou prebieha chemický proces – a ktorá vytvára šesťuholníkové štruktúry 40-krát rýchlejšie ako kubická diamantová štruktúra.

Inými slovami, v existujúcich modeloch chýba kľúčový krok, čo vedie k predpokladu, že výroba kubických diamantov vyžaduje menej energie ako šesťhranných diamantov, kde je to v skutočnosti potrebné viac.

Tento výskum by mohol mať aplikácie aj mimo výroby diamantov, napríklad by sa mohol použiť na riešenie podobných problémov pri iných prechodoch medzi pevnými alotropmi.

V priemysle sú diamanty cenené pre svoju tvrdosť, v ktorej je kráľom lonsdaleit – v čistej forme je O 58 percent ťažšie než jeho kubický bratranec.

Napriek tomu, že sú pri tomto tlaku preferovanou formou, stále sa neuveriteľne ťažko vyrábajú v užitočných veľkostiach, a preto sú dosť zriedkavé .

„Zatiaľ čo kubický diamant je známy v každodennom živote a je veľmi užitočným materiálom, hexagonálny diamant môže byť tiež veľmi užitočný,“ výskumník Zhi-Pan Liu povedal Lise Zyga na Phys.org .

„Zatiaľ čo šesťuholníkový diamant možno nájsť v meteoritoch, výroba veľkých šesťuholníkových diamantových kryštálov sa v experimente nedosiahla. Dalo by sa preto očakávať, že ak sa vyrábajú veľké šesťuholníkové diamantové kryštály, budú ešte vzácnejšie ako kubický diamant.“

Na druhej strane, niektorí výskumníci Myslíme si, že menšie je inteligentnejšie, snažiac sa vyrábať šesťuholníkové diamanty v nanorozmeroch s názorom, že by boli silnejšie ako väčšie kryštály.

Akékoľvek druhy diamantov chceme – či už kubické alebo šesťuholníkové, veľké alebo malé – teraz máme aspoň lepšiu predstavu o ich vzniku.

Tento výskum bol publikovaný v Journal of the American Chemical Society .

O Nás

Publikácia Nezávislých, Osvedčených Skutočností O Správach O Zdraví, Priestore, Prírode, Technológii A Životnom Prostredí.