A széntartalmú anyagok egy új csoportjában a gyémánt extrém keménysége ötvöződik megnövekedett törési szívóssággal és képlékenységgel állítja az Anyag- és Környezetkémiai Intézet főmunkatársa és kutatótársai az ACS Nano Letters folyóiratban megjelent tanulmányukban.

A gyémánt a legkeményebb ismert egykomponensű anyag. A tetraédereinek sarkait összekötő erős kovalens kötéseinek köszönhetően nemcsak rendkívüli keménységgel, hanem extrém szakítószilárdsággal is rendelkezik. Annak ellenére, hogy az elméleti számítások közel másfélszeres megnyúlást jósolnak extrém nagy (220 GPa) húzófeszültség mellett, a valódi anyagok a sokféle szerkezeti hiba miatt jóval előbb eltörnek. Ez az oka annak, hogy a gyémánt egy nagy erejű ütés hatására széttörik, és ezért nem alkalmazható olyan felhasználásokban, ahol nagy erejű ütést elnyelő – az ütés során képlékenyen viselkedő – anyagokra van szükség.

A Természettudományi Kutatóközpont Anyag- és Környezetkémiai Intézet és a Pannon Egyetem, a University College London (UCL), a University of Bath, a University of Pavia, az Arizona State University (ASU) és az Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi  Intézet (MFA) kutatóinak legújabb eredménye szerint a széntartalmú anyagoknak van egy olyan új csoportja, amely esetében a gyémánt extrém keménysége ötvöződik a grafén kiváló flexibilitásával. A szerzők az American Chemical Society-csoporthoz tartozó Nano Letters folyóiratban megjelent tanulmányukban (hivatkozás) bemutatják, hogy egyes – aszteroida-becsapódáskor létrejövő, valamint laboratóriumban nagy energiájú lökéshullámmal előállított  – minták esetében a grafén rétegek a tetraéderes gyémánthoz kötődnek.  Az új széntartalmú anyag nem csupán a gyémánt és a grafén szimpla keveréke, hanem egy nanométeres léptékű szerkezeti összenövés a két különböző típusú szén között. A szerzők a gyémánt-grafén nanokompozitot „diaphite”-ként azonosítják, ezzel is utalva a gyémánt (diamond) és a grafit-típusú (graphite) egységek szoros kapcsolatára. A „diaphite” kifejezést korábban már használták grafén felületén lézeres besugárzással kialakított kétdimenziós nanoszerkezetek leírására.

Bemutatjuk, hogy ezek a szerkezetek háromdimenziósak, és két közeli, de szerkezetileg különböző csoportot alkotnak a grafit és a gyémánt között kialakult kötési szög függvényében

– magyarázza Németh Péter, a tanulmány egyik vezető kutatója. 

A munkát a becsapódásos eredetű gyémántok és nagyenergiájú lökéshullámmal előállított minták ásványtani vizsgálata és szelekciója előzte meg Laurence A.J. Garvie (ASU) és Adrian P. Jones (UCL) vezetésével. A mintákat először a University of Pavia nagyfelbontású mikro-röntgen készülékével Mara Murri és Matteo Alvaro vizsgálta, majd az adatokat Rachael Smith and Christoph Salzmann értékelte a – közvetlenül a köbös/hexagonális rétegződés mennyiségi vizsgálatára kifejlesztett – McDiffaX szoftverrel.

A sík grafén rétegek rejtve maradtak a tömbi anyagok átlagszerkezetét vizsgáló röntgendiffrakciós módszer számára, hasonlóan a Raman spektroszkópos vizsgálatokhoz

– állítja Christoph Salzmann.

A minták részletes nanoszerkezetének vizsgálata a legmodernebb ultranagy felbontást biztosító aberráció-korrigált mikroszkópokkal történt az ASU-n, az Imperial College London intézményben, valamint az MFA 2018-ban beszerzett ThermoFisherScientific FEI THEMIS 200 STEM/TEM készülékén Németh Péter, Laurence A.J. Garvie és Pécz Béla vezetésével. A nagyfeloldású mikroszkópi képek felfedték, hogy a minták egy részét két orientációsan különböző  – a két diaphite típusnak megfelelő – gyémánt és grafén szerkezeti egységek összenövése alkotja.

Az eredmények megértéséhez Kit McColl (University of Bath) és Furio Corà (UCL) kvantummechanikai számításokkal a diaphite nanoanyagok számos tagjának szerkezeti modelljét állították elő, és meghatározták relatív energiaállapotaikat. A modellek amellett, hogy szoros egyezést mutattak a mikroszkópi adatokkal, felfedték a gyémánt és grafén egységek határfelületei közötti szerkezeti kapcsolatokat, és egyértelmű bizonyítékokkal szolgáltak a kétféle diaphite létezésére (1-es ábra).

Diaphite tartalmú impakt gyémánt
Diaphite tartalmú impakt gyémánt a Popigai kráterből (kép szélessége 0,25 mm). A fotót Mara Murri készítette.

A diaphite szerkezetek a grafithoz és a gyémánthoz hasonlóan alacsony energiaállapotúak, laboratóriumi körülmények között előállíthatók, és várhatóan atmoszférikus körülmények között kinetikailag stabilak.

– tájékoztat Kit McColl.

A kutatók a mérések és számítások segítségével nemcsak a nanoszerkezetű anyagok két új családját határozták meg, hanem rendszertani keretet is biztosítottak a természetben található diaphite szerkezetek osztályozására. 

Az új nanoszerkezetek az aszteroida-becsapódás során létrejövő kompressziós és ezt követő expanziós lökéshullámok során keletkezhettek, és ezért a diaphite-ok megjelenése a meteoritok képződési körülményeinek és történetének feltárásához nyújtanak segítséget.

– meséli Laurence A.J. Garvie.

A diaphite nanokompozitok a szénszerkezetek egy olyan új csoportjába tartoznak, amelyek őrzik a gyémánt extrém keménységét és összenyomhatatlan tulajdonságait. A kutatók úgy gondolják, hogy a különleges szerkezetek megnövelik a gyémánt törési szívósságát, mivel húzófeszültség során a terjedő energia hatására a kovalens kötésű gyémánt atomjai grafittá alakulhatnak át a gyémánt-grafén határfelületeken. Furio Corà el is nevezte ezt a fajta deformációs választ „mozzarella megoldásnak.” A diaphite szerkezeteknek számos alkalmazási területe lehetséges.

A feljavított mechanikai jellemzők mellett az új anyagnak további érdekes tulajdonságai lehetnek, kezdve az optikai, elektronikai és termoelektromos sajátosságokig

– mondja Paul McMillan.

A kutatócsoport még csak most kezdi felfedezni az új szerkezetekben rejlő lehetőségeket.

A kutatást többek között az NKFI KH126502 és a VEKOP-2.3.3-15-2016-00002 pályázatai, valamint az MTA Bolyai János Kutatási Ösztöndíja és az ITM ÚNKP-19-4 kódszámú programja támogatta.

További információ: nemeth.peter@ttk.hu

Rövid, angol nyelvű prezentáció itt érhető el.

Hivatkozás

Németh P, McColl K, Murri M, Smith RL, Garvie LAJ, Alvaro M, Pécz B, Jones AP, Corà F, Salzmann CG, McMillan PF: Diamond-graphene composite nanostructures. Nano Letters, 2020, doi: 10.1021/acs.nanolett.0c00556.