מדענים סינים סינתזה בהצלחה יהלום משושה בגודל של 100 מיקרומטר

לאחר כמעט עשר שנים של מחקר רציף, צוות המחקר הבינלאומי של מרכז המחקר למדעי מתח במתח גבוה בבייג'ינג והמכון לאופטיקה ומכניקה משובחת, האקדמיה הסינית למדעים, עשה פריצת דרך גדולה. החוקרים הפכו בהצלחה את מבשר הקריסטל הגרפיט האיכותי ליהלום משושה ברמת המיקרומטר, והישג זה פורסם בכתב העת הסמכותי הבינלאומי בכתב העת ב- 30.

 

יהלום משושה מציג תכונות מכניות הדומות ליהלום מעוקב. בניגוד ליהלומים מעוקבים עם אורך קשר פחמן פחמן יחיד בלבד, יהלומים משושים מציגים שני מאפייני חלוקה שונים באורך הקשר. דווח כי המרווח הבין -שכבתי מתקצר משמעותית, ושיטת הערמה הייחודית הזו של אטומי פחמן יכולה להתגבר ביעילות על החולשה המובנית של החלקה על משטח הערימה הצפוף של יהלום מעוקב.

 

הסינתזה של יהלום משושה תמיד הייתה אתגר מרכזי בקהילה המדעית. כבר בשנת 1967 גילו מדענים אמריקאים לראשונה את "סופר יהלום" הנדיר במכתש מטאוריט, שמשך תשומת לב רבה בגלל מבנה הקריסטל המשושה שלו. עם זאת, תנאי היווצרותם של יהלומים משושה הם קפדניים ביותר, ולפני כן הם יכלו להתקיים רק יחד עם מטאוריטים בננו -סולם.

 

צוות המחקר תכנן באופן חדשני תוכנית ניסיונית בטמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה. מדענים ערכו מחקר באתר על השינויים המבניים של הגרפיט בלחץ גבוה במיוחד ותנאי טמפרטורה גבוהים באמצעות טכנולוגיית סדן יהלומים מחוממים בלייזר. ניסויים מצאו כי גרפיט יוצר מבנה בלחץ גבוה "פוסט גרפיט" בטווח הלחץ הגבוה, ואז יהלום משושה מתקבל בהצלחה באמצעות חימום מקומי.

 

במקביל, צוות המחקר שילב הדמיות תיאוריית דינמיקה מולקולרית רחבת היקף כדי לחשוף את התפקיד המכריע של תצורת ערימת שכבת גרפיט ביצירת מבני יהלום משושה. תגלית זו מאשרת מסלול חדש לגרפיט ליצירת יהלום משושה דרך שלב הפוסט גרפיט, ופותח כיוונים טכנולוגיים חדשים להכנת חומרי סופררד.

 

נתונים ניסויים מראים כי ליהלום המשושה המסונתז יש קשיות של עד 155GPA, העולה על היהלום הטבעי ביותר מ- 40%. בסביבת ואקום, היציבות התרמית שלה יכולה להגיע ל 1100 מעלות, וזה טוב משמעותית מהביצועים של 900 מעלות של ננודיאמונדים. תכונות פיזיות מצוינות אלה גורמות ליהלום משושה מציג פוטנציאל רב ביישומים תעשייתיים.

 

מחקר שיטתי זה שם קץ ליותר מ -60 שנות מחלוקת אקדמית ביחס לקיומם המקרוסקופי של יהלומים משושים. תוצאות המחקר לא רק מספקות עדויות חזקות לקיומו העצמאי של יהלום משושה, אלא גם מניחים בסיס איתן להתפתחותו כדור חדש של חומרים פונקציונליים בעלי ביצועים גבוהים. פריצת דרך זו צפויה להניע חדשנות טכנולוגית בתחום חומרי העל ולהזריק דחף חדש לפיתוח תעשיות קשורות.

 

מה זהיהלום משושה?

יהלום משושה (HD), המכונה גם Lonsdaleite, הוא אלוטרופ משושה של פחמן בו כל אטום פחמן הוא הכלאה SPW ומתקשר לטטרה-טרחתית לארבעה שכנים, ויוצר מסגרת תלת ממדית. לראשונה ניבא בשנת 1962 וזוהה בשנת 1967 בחומר מטאוריטי מקניון דיאבלו (אריזונה), הוא נקרא על שם הקריסטלוגרף קתלין לונסדייל. במשך עשרות שנים היו רק שברים ננומטריים או צמיחה מופרעת, ולכן קיומו כשלב מובחן ותכונותיו המהותיות נותרו שנויות במחלוקת. בשנת 2025 צוות בראשותו של פרופ 'הו-קוואנג (דייב) מאו במרכז למדעי לחץ גבוה וטכנולוגיה מחקרים מתקדמים סינתזה סינתזה בגודל מילימטרי, מסודר מאוד לונסדיילייט על ידי דחיסה וחימום גבישים בודדים באיכות גבוהה תחת לחצים מעין-הידרוסטטיים מבוקרים. מיקרוסקופיית אלקטרונים חשפה המרה ישירה של גרפיט (1010) ל- HD (0002) וגרפיט (0002) ל- HD (1010). הדגימות שהתקבלו הן לונסדיילט כמעט טהורות עם פגמים מעוקבים-קוב-יהלומים בלבד ומציגים קשיות מעט עולה על זה של יהלום מעוקב.

 

במה שונה לונסדיילט מיהלום מעוקב?

לונסדיילייט (יהלום משושה) שונה מיהלום מעוקב בארבע דרכים עיקריות:

1 סימטריה קריסטלית וערימה
• Lonsdaleite: סריג משושה, קבוצת חלל P6₃/MMC; שכבות הפחמן הקשורות SPדרים נערמות ברצף AB-AB לאורך ציר ה- C.
• יהלום מעוקב: סריג קובב פנים, קבוצת חלל FD-3M; שכבות עוקבות אחר רצף ABC-ABC.

 

2 פרמטרי סריג
• Lonsdaleite: A ≈ 2.51 Å, C ≈ 4.12 Å.
• יהלום מעוקב: A=3.5668 Å.

 

3 יציבות ואנרגיה
• Lonsdaleite הוא ~ 0.025 eV לכל אטום גבוה יותר באנרגיה מאשר יהלום מעוקב, מה שהופך אותו לגרורתי.

 

4 תכונות מכניות
• תיאוריה וסינתזות גבישות יחידה בעלות סולם MM אחרון מצביעים על כך ש- Lonsdaleite מעט קשה יותר (התנגדות כניסה ~ 152 GPA, 58 %

קשה יותר במטוס {0001} לעומת יהלום {111}).
• יהלום מעוקב נשאר אמת המידה לקשיות (MOHS 10) והוא מסונתז ביתר קלות בצורה בתפזורת.

 

כתוצאה מכך, הערימה המשושה של לונסדיילט וגיאומטריה של קשר ארוך מעט יותר מעניקים לה קשיות תיאורטית מעולה באופן שולי, ואילו היהלום המעוקב מציע יציבות תרמודינמית גבוהה יותר וקלות הייצור.