Μια ανακάλυψη που μέχρι πρόσφατα έμοιαζε σχεδόν αδύνατη έκαναν Κινέζοι επιστήμονες: κατάφεραν να συνθέσουν στο εργαστήριο ένα ιδιαίτερο είδος διαμαντιού, γνωστό ως εξαγωνικό διαμάντι, το οποίο θεωρητικά είναι έως και 58% πιο σκληρό από τα κοινά διαμάντια της Γης. Το νέο υλικό δημιουργήθηκε με μια πρωτοποριακή τεχνική υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας και παρουσιάστηκε πρόσφατα στο επιστημονικό περιοδικό Nature.
Το κατόρθωμα αυτό ανοίγει τον δρόμο για πιθανές εφαρμογές σε βιομηχανίες όπου απαιτείται υπερανθεκτικότητα, όπως η κατασκευή διαμαντοτρυπάνων, προηγμένων ηλεκτρονικών ή ακόμη και τεχνολογιών κβαντικής πληροφορικής. Αν και ακόμη σε πρώιμο στάδιο, η επιτυχία αυτή επιβεβαιώνει ότι το μυστηριώδες διαμάντι των μετεωριτών μπορεί πράγματι να παραχθεί και στη Γη.
Η διαφορετική αρχιτεκτονική του διαμαντιού
Τα κοινά διαμάντια κατέχουν τον τίτλο του σκληρότερου φυσικού υλικού που γνωρίζουμε. Η αντοχή τους οφείλεται στη μοναδική κρυσταλλική δομή τους: κάθε άτομο άνθρακα συνδέεται με τέσσερα άλλα μέσω ισχυρών δεσμών, σχηματίζοντας ένα ατελείωτο πλέγμα από τέλεια τετράεδρα. Η διάταξη αυτή δίνει στο ορυκτό μια κυβική κρυσταλλική μορφή.
Ωστόσο, ήδη από τη δεκαετία του 1960 είχε προταθεί η ύπαρξη μιας παραλλαγής με ελαφρώς διαφορετική γεωμετρία. Το 1967 βρέθηκαν μικροσκοπικά ίχνη της δομής αυτής στον μετεωρίτη Canyon Diablo που έπεσε στην Αριζόνα πριν περίπου 50.000 χρόνια. Σε αυτό το είδος διαμαντιού, οι δεσμοί άνθρακα δεν είναι όλοι ίσου μήκους, ενώ οι στρώσεις ατόμων εναλλάσσονται σε μοτίβο ΑΒ αντί για ΑΒC, με αποτέλεσμα μια εξαγωνική κρυσταλλική διάταξη. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί έδειξαν ότι αυτή η αλλαγή θα έπρεπε να το καθιστά σημαντικά πιο σκληρό από το κλασικό διαμάντι.
Το εμπόδιο της καθαρής σύνθεσης
Το βασικό πρόβλημα για δεκαετίες ήταν ότι κανείς δεν μπορούσε να παρασκευάσει καθαρές και αρκετά μεγάλες ποσότητες εξαγωνικού διαμαντιού ώστε να μελετηθούν οι ιδιότητές του. Οι μετεωριτικοί κόκκοι περιείχαν πάντα ακαθαρσίες, όπως γραφίτη ή κλασικό διαμάντι, κάτι που έκανε πολλούς επιστήμονες να αμφιβάλλουν ακόμη και για την πραγματική ύπαρξή του.
Αυτήν την πρόκληση αποφάσισε να αντιμετωπίσει η ομάδα του Wenge Yang από το Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research στο Πεκίνο. Εμπνευσμένοι από τις συνθήκες πρόσκρουσης μετεωριτών, οι ερευνητές επιχείρησαν να αναπαράγουν τα ακραία αυτά περιβάλλοντα στο εργαστήριο με τη βοήθεια μιας ειδικής συσκευής που ονομάζεται diamond anvil cell.
Πώς γεννήθηκε το εξαγωνικό διαμάντι στο εργαστήριο
Η διαδικασία ξεκίνησε με καθαρό γραφίτη, μια πιο συνηθισμένη μορφή άνθρακα. Το δείγμα συμπιέστηκε σταδιακά μέχρι να φτάσει σε πίεση 20 gigapascals, περίπου 200.000 φορές μεγαλύτερη από την ατμοσφαιρική πίεση της Γης. Στη συνέχεια εφαρμόστηκε θερμότητα άνω των 1.400 βαθμών Κελσίου μέσω laser, ώστε τα επίπεδα άνθρακα να γλιστρήσουν μεταξύ τους και να «κλειδώσουν» στη νέα εξαγωνική διάταξη.
Το αποτέλεσμα ήταν μικροί δίσκοι κρυστάλλου που, παρότι περιείχαν ακόμη μικρά τμήματα κυβικού διαμαντιού, έδειξαν καθαρά την πολυπόθητη εξαγωνική δομή. Με ηλεκτρονικά μικροσκόπια και ακτίνες Χ, οι επιστήμονες μπόρεσαν να επιβεβαιώσουν την επιτυχία τους.
Η γνώμη των ειδικών
Ο Soumen Mandal, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Cardiff που ειδικεύεται στις εφαρμογές των διαμαντιών, χαρακτήρισε το επίτευγμα «καλή πρώτη απόδειξη», τονίζοντας ωστόσο ότι απαιτούνται καθαρότερα δείγματα και μεγαλύτερες ποσότητες ώστε να εξερευνηθούν οι πλήρεις μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του υλικού.
Οι δοκιμές σκληρότητας είναι δύσκολο να πραγματοποιηθούν σε τόσο μικρά δείγματα. Παρ’ όλα αυτά, η ομάδα του Yang μπόρεσε να επιβεβαιώσει ότι τα νέα κρύσταλλα είναι τουλάχιστον εξίσου ανθεκτικά με τα κοινά διαμάντια, αφήνοντας ανοιχτό το ενδεχόμενο να αποδειχθούν τελικά και σκληρότερα.
Οι μελλοντικές εφαρμογές
Αν και βρισκόμαστε ακόμη μακριά από τη βιομηχανική παραγωγή, οι ερευνητές οραματίζονται ότι σε μια δεκαετία το εξαγωνικό διαμάντι θα μπορούσε να αντικαταστήσει το παραδοσιακό στις πιο απαιτητικές εφαρμογές. Εργαλεία ακριβείας, συστήματα διαχείρισης θερμότητας, προηγμένα ηλεκτρονικά και τεχνολογίες κβαντικής πληροφορικής είναι μερικοί μόνο από τους τομείς που θα μπορούσαν να ωφεληθούν.
Ο στόχος μας είναι να παραγάγουμε μεγαλύτερα και καθαρότερα δείγματα, ικανά για πραγματικές εφαρμογές. Έτσι θα μπορέσουμε να προσαρμόσουμε τις ιδιότητες του εξαγωνικού διαμαντιού στις ανάγκες της βιομηχανίας και να ανοίξουμε τον δρόμο για την υιοθέτησή του.
[via]
