Tutkijaryhmä, jota johti tohtori Minguan Yao, käytti grafiittiin 300 000 atmosfäärin painetta ja korkeita lämpötiloja muodostaakseen kuusikulmaisen rakenteen.
Sisällysluettelo
- Lonsdaleiitti: kuusikulmainen rombinen muoto, 40 % kovempi kuin tavallinen timantti.
- Luotu laboratoriossa kiinalaisten tutkijoiden toimesta 50 vuoden yrityksen jälkeen.
- Äärimmäinen paine : 30 GPa (~300 000 atmosfääriä) grafiittiin.
- Korkea lämpötila: jopa 1100 °C rakenteen stabiloimiseksi.
- Levyjen koko: kiteet enintään 1,2 mm.
- Käyttömahdollisuudet elektroniikassa, teollisessa leikkauksessa ja lämpöä kestävissä pinnoitteissa.
- Sen tuotanto suuressa mittakaavassa ei ole vielä kannattavaa, mutta se lupaa kestävää käyttöä.
Timantti, jossa on rakenteellinen erikoisuus
Lonsdaleite on kuusikulmainen hiilen muoto, tavallisen timantin muunnos, jolla on erinomaiset fysikaaliset ominaisuudet. Se löydettiin vuonna 1967 meteoriitin jäännöksistä, ja sitä on tutkittu vuosikymmenten ajan sen teoreettisen kovuuden vuoksi, joka on jopa suurempi kuin perinteisen kuutiomaisen timantin.
Lonsdaleitin ainutlaatuisuus piilee sen kuusikulmaisessa kiderakenteessa, joka eroaa tavallisen timantin kuutiomaisesta rakenteesta. Tämä rakenne antaa sille paremman suuntaisen lujuuden, mikä sopii erinomaisesti sovelluksiin, joissa vaaditaan poikkeuksellista kestävyyttä mekaanisia rasituksia vastaan.
Nimensä mukaan Lady Kathleen Lonsdale , kristallografian edelläkävijän mukaan, tämä hiilen muoto on tärkeä askel eteenpäin erittäin kestävien materiaalien kehittämisessä.
Grafiitista kuusikulmaiseen timanttiin
Jilin-yliopiston tohtori Minguan Yaon johtama tutkijaryhmä on onnistuneesti syntetisoinut lonsdaleiitin altistamalla grafiitin noin 30 gigapascalin (GPa) paineelle, mikä vastaa yli 300 000 ilmakehän painetta.
Samalla he käyttivät lämpötilaa, joka oli jopa 1100 astetta (2012 °F), mikä on tarpeen hiiliatomien uudelleenjärjestäytymiseksi haluttuun kuusikulmaiseen rakenteeseen ilman, että ne hajoavat yleisempiin faaseihin.
Tämä prosessi vaatii tarkkaa paineen, lämpötilan ja ajan hallintaa, ja tämä on epävakaa tasapaino, jonka rikkoutuminen tuhoaa materiaalin muodostumisen kokonaan.
Kovempi kuin timantti
Testit ovat osoittaneet, että lonsdaleiitti on 40 % kovempaa kuin perinteinen timantti. Vaikka timantti on jo leikkaavien työkalujen standardi, uusi muoto lupaa ylittää sen ominaisuudet, erityisesti korkeissa paineissa ja korkeissa lämpötiloissa .
Toisin kuin tavallinen timantti, joka muodostuu alhaisemmissa paineissa, lonsdaleiitti vaatii kuusi kertaa äärimmäisemmät olosuhteet, jotka ovat tähän asti tehneet sen synteesin näkyvissä mittakaavassa mahdottomaksi.
Teollisuudelle käyttökelpoiset koot
Tämä tutkimus on saavuttanut ennennäkemättömän virstanpylvään: kristallien halkaisija on jopa 1,2 millimetriä . Vaikka ne ovat vielä liian pieniä moniin teollisiin sovelluksiin, niiden koko mahdollistaa nyt käytännön kokeet mikroskooppisen ympäristön ulkopuolella.
Tämä avaa tien pohtia tulevaisuuden teollista tuotantoa , josta vielä muutama vuosi sitten oli mahdotonta edes ajatella.
Keskeinen lämpöstabiilisuus
Yksi sen merkittävimmistä ominaisuuksista on lämpöstabiilisuus . Toisin kuin muut superkovat materiaalit, lonsdeiliitti pysyy stabiilina äärimmäisissä lämpötiloissa , mikä tekee siitä ihanteellisen ehdokkaan elektronisiin tai mekaanisiin komponentteihin, jotka altistuvat korkeille lämpötiloille.
Ilman tarkkaa lämpötilan hallintaa valmistusprosessissa rakenne voi tuhoutua. Siksi tutkijat tutkivat myös kontrolloituja lämpötilakäyriä varmistaakseen kiteiden oikean kasvun.
Massatuotanto? Ei vielä.
Lonsdaleitin synteesi ei ole vielä mahdollista teollisessa mittakaavassa . Äärimmäisen paineen ja lämpötilan olosuhteiden jatkuva toistaminen on tekninen ja taloudellinen haaste.
Tiimi työskentelee kemiallisten katalyyttien ja lisäaineiden löytämiseksi, jotka vähentävät prosessin energiantarvetta. Keskeistä on varmistaa tuotannon kannattavuus kohtuullisin kustannuksin.
Inspiraatio avaruuden törmäyksistä
Luonnossa lonsdeiliitti muodostuu meteoriittien törmäyksissä, joissa syntyy valtavia paineita ja lämpötiloja sekunnin murto-osassa. Näiden olosuhteiden luominen laboratoriossa ei ollut helppoa.
Kuitenkin mahdollisuus toistaa tällaisia astronomisia tapahtumia kontrolloidussa ympäristössä on valtava askel eteenpäin materiaalitieteessä.
Käyttö korujen ulkopuolella
Tällä uudella timanttityypillä on lupaavia käyttömahdollisuuksia esimerkiksi seuraavilla aloilla:
- Korkean lämpötilan elektroniikka .
- Teolliset leikkuutyökalut .
- Erittäin kulutusta kestävät pinnoitteet .
- Voimakkaasti kitkalle altistuvat mekaaniset komponentit .
Pitkällä aikavälillä se voi jopa korvata myrkylliset tai saastuttavat materiaalit, kuten asbestin , joissakin rakennusrakenteissa sen kestävyyden ja lämpöstabiilisuuden ansiosta.
Tämän teknologian potentiaali
Lonsdaleite voi tulla avaintekijäksi teknologian kestävyydessä . Sen poikkeuksellinen kovuus ja lämmönkestävyys voivat pidentää työkalujen ja komponenttien käyttöikää ja vähentää niiden korvaamiseen tarvittavien materiaalien ja energian kulutusta.
Lisäksi:
- Se vähentää riippuvuutta konfliktialueiden mineraaleista , koska sitä voidaan valmistaa tavallisesta grafiitista.
- Tämä mahdollistaisi saastuttavien tai karsinogeenisten pinnoitteiden, kuten asbestin, korvaamisen erityisesti teollisuudessa.
- Sen kyky toimia korkeissa lämpötiloissa ilman ominaisuuksien heikkenemistä tekee siitä ihanteellisen turbiineihin, reaktoreihin tai keskitettyihin aurinkojärjestelmiin, parantaen niiden tehokkuutta ja vähentäen huoltotarvetta.
Jos synteesiprosessit voidaan skaalata ja optimoida, lonsdeylite voi johtaa muutokseen resurssien tuotantotavoissa ja säilyttämisessä . Vaikka tämä teknologia on vielä alkuvaiheessa, sillä on potentiaalia vahvistaa siirtymistä puhtaampaan, tehokkaampaan ja kestävämpään teollisuuteen .
