Andrey_Popov/Shutterstock Diamanten gibt es typischerweise in zwei „Geschmacksrichtungen“: einer kubischen Struktur, die in Schmuckstücken geschätzt wird; und eine zähe, „sechseckige“ Kristallform namens Lonsdaleit .
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Herstellung der kubischen Form mehr Energie erfordert als zuvor realisiert , löst ein Rätsel über die Entstehung von Lonsdaleit und hilft uns möglicherweise bei der Synthese härterer Kristalle.
Um einen Diamanten herzustellen, presst man Graphit einfach auf einen Druck von etwa 20 Gigapascal (oder fast das 200.000-fache des Atmosphärendrucks) zusammen, was zu einer von zwei verschiedenen Kohlenstoffanordnungen führt.
Bei Drücken knapp 20 Gigapascal neigen die Kohlenstoffatome dazu, sich in hexagonale Gitter umzuordnen, bei höheren Drücken in kubische Strukturen.
Aber aktuelle Modelle sagen voraus, dass wir die kubische Varietätsform bei beiden Drücken sehen sollten, was die Forscher dazu veranlasst Fudan-Universität und das Universität Shanghai in China, um mithilfe eines neuartigen Modellierungsprozesses herauszufinden, warum.
Beide Arten von Diamant und Graphit werden als beschrieben Allotrope aus Kohlenstoff, was bedeutet, dass sie alle aus Kohlenstoffatomen bestehen, die auf unterschiedliche Weise miteinander verbunden sind.
In Graphit Jedes Kohlenstoffatom geht eine Bindung mit drei anderen Atomen ein und erzeugt so flache, wabenartige Schichten Graphen , die sich relativ leicht von angrenzenden Schichten ablösen.
Durch die Anwendung großen Drucks werden diese Schichten so zusammengedrückt, dass die Kohlenstoffatome in der Graphen kann eine Verbindung mit angrenzenden Schichten eingehen und die Schichten zu einem 3D-Kristallblock verbinden, den wir als kennen Diamant .
Dies kann auf zwei Arten geschehen: eine, bei der die Graphenschichten in die gleiche Richtung ausgerichtet sind, und eine, bei der jede aufeinanderfolgende Schicht in die entgegengesetzte Richtung ausgerichtet ist.
Die klaren, schön geschliffenen Diamanten, die wir in unseren Verlobungsringen verwenden, bestehen normalerweise aus ausgerichteten Graphenschichten.
Diese Art von Diamant kann auf natürliche Weise gefunden werden, indem er tief unter der Erdkruste in aufsteigenden Magmasäulen aufsprudelt, die sich zu einer Art magmatischem Gestein abkühlen Kimberlit .
Diamanten, die aus Graphenschichten mit abwechselnder Ausrichtung bestehen, werden als sechseckig beschrieben und erscheinen als kleine, gelbbraune Kristalle.
Diese als Lonsdaleit bezeichneten Kristalle kommen gelegentlich äußerst selten vor als fehlerhafte Kristalle gefunden rund um die Orte von Meteoriteneinschlägen.
Das Problem besteht darin, dass das Modell, das die Diamantbildung beschreibt, vorhersagt, dass sich kubische Diamanten bei Drücken von etwas unter 20 Gigapascal bilden sollten, bevor sich Lonsdaleit bildet, da angenommen wird, dass weniger Energie erforderlich ist, um ausgerichtete Graphenschichten in eine kubische Form zu pressen als die hexagonale Struktur.
Aber dieses ist nicht das, was wir sehen in Wirklichkeit stellt es Chemiker vor ein kleines Rätsel, das es zu lösen gilt.
Die Forscher verwendeten eine Art Simulation namens „stochastisches Oberflächenwandern“, um die verschiedenen Arten zu vergleichen, wie Atome beim Übergang des Graphits in Diamant Bindungen eingehen könnten – und um diejenigen zu finden, die auf den Zwischenanordnungen mit den niedrigsten Energien beruhten.
Es stellte sich heraus, dass die Verbindungen zwischen einer Graphenschicht und einem wachsenden Lonsdaleitkristall stabiler und weniger gespannt sind als die Verbindung zwischen einer Graphenschicht und einem kubischen Diamanten.
Diese zusätzliche Stabilität beeinflusst das sogenannte Reaktionskinetik – die Geschwindigkeit, mit der ein chemischer Prozess abläuft – und der zur Bildung sechseckiger Strukturen führt 40-mal schneller als die kubische Diamantstruktur.
Mit anderen Worten: Den bestehenden Modellen fehlt ein entscheidender Schritt, was zu der Annahme führt, dass die Herstellung kubischer Diamanten weniger Energie erfordert als sechseckige, bei denen tatsächlich mehr Energie erforderlich ist.
Diese Forschung könnte über die Diamantproduktion hinaus Anwendung finden, beispielsweise zur Lösung ähnlicher Probleme bei anderen Übergängen zwischen festen Allotropen.
In der Industrie werden Diamanten wegen ihrer Härte geschätzt, und hier ist Lonsdaleit der König – in reiner Form 58 Prozent härter als sein kubischer Cousin.
Obwohl sie bei diesem Druck die bevorzugte Form sind, ist es immer noch unglaublich schwierig, sie in brauchbaren Größen herzustellen und ist es daher auch sehr selten .
„Während kubischer Diamant im Alltag bekannt und ein äußerst nützliches Material ist, könnte sechseckiger Diamant auch sehr nützlich sein.“ Forscher Zhi-Pan Liu erzählte Lisa Zyga bei Phys.org .
„Während der sechseckige Diamant in Meteoriten gefunden werden kann, wurde die Herstellung großer sechseckiger Diamantkristalle im Experiment nicht erreicht. Man würde daher erwarten, dass große sechseckige Diamantkristalle, wenn sie hergestellt würden, sogar noch wertvoller wären als kubische Diamanten.
Andererseits, einige Forscher Denken Sie, dass „kleiner“ klüger ist, und versuchen Sie, sechseckige Diamanten im Nanomaßstab herzustellen, mit der Ansicht, dass diese stärker als die größeren Kristalle wären.
Welche Art von Diamanten wir auch haben wollen – ob kubisch oder sechseckig, groß oder klein – zumindest haben wir jetzt eine bessere Vorstellung davon, wie sie entstehen.
Diese Forschung wurde in der veröffentlicht Zeitschrift der American Chemical Society .