Pirmą kartą istorijoje mokslininkams pavyko sukurti deimantus kambario temperatūroje – panaudojimo galimybės praktiškai beribės

Yra ne viena deimantų forma

Anglies atomai gali susijungti įvairiais būdais, sudarydami skirtingas medžiagas, įskaitant minkštą juodą grafitą ir kietą skaidrų deimantą.

Yra daug gerai žinomų anglies formų, panašių į grafitą, įskaitant grafeną – ploniausią išmatuotą medžiagą. Bet ar žinojote, kad yra ir daugiau nei vienos rūšies anglies pagrindu susiformuojančių medžiagų, panašių į deimantus?

Paprastame deimante atomai išsidėstę kubinėje kristalinėje struktūroje. Tačiau taip pat įmanoma išdėstyti šiuos anglies atomus, kad jie turėtų šešiakampę kristalų struktūrą.

Šešiakampė deimanto forma vadinama lonsdeilitu, pavadinta airių kristalografės ir Karališkosios draugijos narės Kathleen Lonsdale, tyrusios anglies struktūrą rentgeno spinduliais, vardu.

Lonsdeilitu labai domimasi, nes prognozuojama, kad jis bus 58 proc. kietesnis nei įprastas deimantas, kuris laikomas kiečiausia natūraliai gamtoje esančia medžiaga Žemėje.

Pirmą kartą jis buvo atrastas gamtoje, Arizonos mieste esančio Canyon Diablometeorito kraterio vietoje. Nuo to laiko laboratorijoje buvo susintetintas nedidelis medžiagos kiekis kaitinant ir suspaudžiant grafitą, naudojant aukšto slėgio presą arba sprogmenis.

Tyrimai rodo, kad tiek lonsdeilitas, tiek įprastas deimantas gali būti formuojamas kambario temperatūroje laboratorijoje, tiesiog taikant aukštą slėgį.

Daugybė būdų, kaip pagaminti deimantą

Deimantai laboratorijose buvo sintetinami nuo 1954 m. Tada Tracy Hall, dirbęs „General Electric“, sukūrė juos naudodamas procesą, imituojantį natūralias Žemės plutos sąlygas, pridedant metalinių katalizatorių, kurie paspartina augimo procesą.

Rezultatas – aukšto slėgio, aukštos temperatūros deimantai, panašūs į gamtoje esančius, tačiau dažnai mažesni ir ne tokie tobuli. Jie gaminami ir dabar, daugiausiai pramonės tikslams.

Kitas svarbus deimantų gamybos būdas yra cheminių dujų procesas, kurio metu mažas deimantas naudojamas kaip „sėkla“ didesnių deimantų auginimui. Tam reikalinga maždaug 800 ℃ temperatūra. Nors augimas gana lėtas, šie deimantai gali būti išauginti dideli ir be defektų.

Gamta pateikė užuominų apie kitus deimanto formavimo būdus, įskaitant grėsmingą meteoritų poveikį Žemei, taip pat tokiuose procesuose, kaip greitas asteroidų susidūrimas mūsų Saulės sistemoje – sukuriant tai, ką mes vadiname „nežemiškais deimantais“.

Mokslininkai bandė tiksliai suprasti, kaip susidaro smūginiai ar nežemiški deimantai. Yra keletas įrodymų, kad be aukštos temperatūros ir slėgio, šlyties jėgos (dar vadinamos „kirpimo jėgomis“) gali atlikti svarbų vaidmenį skatinant jų susidarymą.

Objektas, kurį veikia šlyties jėgos, viršuje stumiamas viena kryptimi, o apačioje – priešinga. Pavyzdys galėtų būti kortų kaladės stūmimas į kairę viršuje ir į dešinę apačioje. Tai priverstų kaladę slinkti, o kortas išsiskleisti.

Deimantų gamyba kambario temperatūroje

Mokslininkai ėmėsi eksperimento, kurio metu maža į grafitą panaši anglies drožlė buvo veikiama tiek ekstremalių šlyties jėgų, tiek didelio slėgio, kad paskatintų deimanto susidarymą.

Skirtingai nei dauguma ankstesnių darbų šioje sferoje, suspaudimo metu anglies mėginys nebuvo papildomai šildomas. Naudojant pažangiąją elektroninę mikroskopiją – metodą, naudojamą labai didelės raiškos vaizdams užfiksuoti – gautame mėginyje nustatyta, kad jame yra ir įprasto deimanto, ir lonsdeilito.

Šioje dar nematytoje kompozicijoje plona deimanto „upė„ (maždaug 200 kartų mažesnė už žmogaus plauką) buvo apsupta lonsdeilito“ jūros“.

Konstrukcijos išdėstymas primena „šlyties juostą“, pastebėtą kitose medžiagose, kur siaura sritis patiria intensyvų, lokalizuotą įtempimą. Tai rodo, kad kirpimo jėgos buvo raktas į šių deimantų susidarymą kambario temperatūroje.

Neribotos galimybės

Gebėjimas pagaminti deimantus kambario temperatūroje per kelias minutes atveria daugybę gamybos galimybių.

Konkrečiai, tokiu būdu pagaminti „kietesnį nei deimantas“ lonsdeilitą yra įdomi naujiena pramonės šakoms, kuriose reikalingos itin kietos medžiagos. Pavyzdžiui, deimantais padengiami gręžimo antgaliai ir peiliai, kad pailgėtų šių įrankių tarnavimo laikas.

Kitas mokslininkų uždavinys yra sumažinti slėgį, reikalingą deimantams suformuoti. Tyrimo metu mažiausias slėgis kambario temperatūroje buvo 80 gigapaskalių. Tai prilygsta 640 Afrikos dramblių ant vieno baleto batelio galiuko!

Jeigu deimantą ir lonsdeilitą būtų galima pagaminti esant mažesniam slėgiui, mokslininkai galėtų jų pagaminti daugiau, greičiau ir pigiau.

Dougalas McCullochas, RMIT universiteto profesorius ir Jodie Bradby, fizikos profesorė, Australijos nacionalinis universitetas.

Tyrimo išvados paskelbtos žurnale „Small“.