Ученые из Цзилиньского университета и Университета Сунь Ятсена впервые получили в лаборатории чистый образец гексагонального алмаза — материала, который десятилетиями считался либо научным мифом, либо артефактом несовершенных приборов. Результаты опубликованы в журнале Nature. Кристалл размером до 1 мм оказался на 40% тверже обычного алмаза и выдерживает давление до 155 ГПа — для сравнения, природный алмаз «ломается» уже при 70−100 ГПа.
Речь идет о лонсдейлите — форме углерода с гексагональной кристаллической решеткой. В отличие от привычного кубического алмаза, где слои атомов чередуются по схеме ABC, здесь их всего два — AB. Такая укладка делает кристалл плотнее и жестче. Теоретически это должно давать прирост твердости до 58%, реальные измерения показали 40% — тоже впечатляюще.
Исходным сырьем послужил высокоориентированный пиролитический графит — особо упорядоченная его разновидность. Его сжимали между вольфрамовыми наковальнями под давлением 20 ГПа при температуре 1300−1900°С. Давление прикладывалось строго вдоль слоев графита. В этот момент вещество проходит через так называемую пост-графитовую фазу и перестраивается в гексагональную структуру. Критически важно при этом медленно сбрасывать давление. Если делать это слишком быстро, кристалл обращается обратно в графит. За превращением наблюдали в режиме реального времени с помощью рентгеновской дифракции, что позволяло оперативно корректировать параметры прямо в ходе эксперимента.
История лонсдейлита началась в 1967 году, когда геологи нашли его в метеорите Каньон-Дьябло, оставившем знаменитый кратер в Аризоне. Минерал назвали в честь кристаллографа Кэтлин Лонсдейл. Примерно тогда же прозвучало первое заявление о лабораторном синтезе, но спустя десятилетия скептики доказали, что речь шла о дефектном кубическом алмазе с похожей картиной рентгеновских пиков, а вовсе не об отдельном соединении. У новых образцов фиксируют дополнительные характерные пики, которых у «подделки» быть не может. Они и убедили даже самых настороженных критиков.
Гонка за сверхтвердыми углеродными материалами идет давно. В 2021 году специалисты Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе получали лонсдейлит ударным сжатием, но кристаллы были слишком малы и загрязнены. Южнокорейские исследователи в 2023 году предложили альтернативный метод синтеза алмазов при атмосферном давлении за 150 мин., однако до гексагональной структуры он не дотягивает. Японские производители смогли получить нанополикристаллические алмазы объемом до кубического сантиметра, но работать с ними почти невозможно из-за запредельной твердости.
Пока лонсдейлит остается лабораторной диковинкой. Но перспективы уже очерчены: буровые резцы, которым не страшны самые твердые породы, теплоотводящие элементы для электроники и носители информации в квантовых компьютерах. Термическая стойкость до 1100 против 700 у обычного алмаза заставляет задумать о широком спектре применения там, где традиционный материал просто сгорает. Шестидесятилетний спор о том, существует ли этот кристалл вообще, закрыт. Теперь начинается следующий — о том, как его производить серийно.
Ранее мы писали о том, что на поверхности алмазов обнаружили сверхтонкие пленки водяного льда.
