Благодаря своей исключительной твердости, алмаз является самым ценным природным минералом и находит применение как в ювелирном деле, так и в промышленности, где используются его уникальные теплопроводные и оптические характеристики. Однако искусственно выращенные из графита алмазы могут быть тверже природных, хотя их синтез представляет собой сложный процесс. Китайские ученые разработали технологию получения образца с гексагональной кристаллической структурой, полностью лишенного примесей.
Алмазы встречаются в двух различных кристаллических структурах: кубической и гексагональной. Лонсдейлит, гексагональный алмаз, также известный как HD, — это аллотроп углерода, характеризующийся гексагональной кристаллической структурой. Впервые он был найден в наноструктуре метеорита Каньон-Дьябло в 1967 году. Согласно теоретическим расчетам, этот драгоценный материал обладает выдающимися физическими свойствами, которые превосходят характеристики обычного, кубического алмаза.
В структуре лонсдейлита атомы углерода располагаются в слоях, которые связаны между собой гексагональными кольцами, а не формируют кубические структуры. Такая особенность позволяет кристаллической решетке перемещаться при механическом воздействии, что может вызывать дефекты и последующее раскалывание.
Отсутствие однородных линий сдвига в структуре гексагональных алмазных кристаллов обуславливает их исключительную прочность. Это свойство критически важно при создании сверхтвердых режущих инструментов (суперабразивов, буровых долот), биодатчиков и широкозонных полупроводников. Благодаря этому, устройства, изготовленные из таких материалов, способны функционировать при более высоких напряжениях, частотах и температурах, чем при использовании обычных полупроводниковых материалов.
До настоящего времени получение лонсдейлита в значимых объемах и с высокой степенью чистоты оставалось сложной задачей для материаловедов. Более ранние исследования продемонстрировали, что графит может трансформироваться в гексагональный алмаз под воздействием высоких температур и ударных нагрузок, подобных тем, что возникают при падении метеорита. Исследователи из Цзилиньского университета (Китай) выявили решающий фактор, используя высокоразрешающую просвечивающую электронную микроскопию и теоретические расчеты. Они выяснили, что трансформация начинается с образования зародышей алмаза, которые затем растут внутри графитовой матрицы. Результаты работы физики опубликовали в журнале Nature.
Китайским ученым удалось получить образец, имеющий значительный размер — диаметр один миллиметр и толщина 70 микрометров. Это стало возможным благодаря сжатию и нагреву высококачественных монокристаллов графита при температуре 1400 градусов Цельсия и давлении 30 гигапаскалей, что превышает атмосферное давление почти в 300 тысяч раз. Образец характеризовался почти 100-процентной чистотой.
Авторы научной работы подчеркивают, что синтез гексагонального алмаза на протяжении последних шести десятилетий являлся одним из ключевых направлений в материаловедении, обусловленным его возможностями для практического использования. Проведенное исследование закладывает теоретическую и экспериментальную базу для потенциального использования лонсдейлита в разработке сверхтвердых материалов и для применений, связанных с высокими температурами.