A meteorbecsapódásokhoz köthető és kivételes tulajdonságokkal felruházott gyémántmódosulat, a lonsdaleit, vagy másnéven hexagonális gyémánt létezését kérdőjelezi meg Németh Péter, az MTA TTK AKI alkalmazottja külföldi kollégáival.

A Nature Communications folyóiratban megjelent tanulmányuk szerint (http://www.nature.com/ncomms/2014/141120/ncomms6447/abs/ncomms6447.html) a lonsdaleit valójában rendezetlen szerkezetű gyémánt.

Kutatók csaknem fél évszázada egy új, hexagonális szerkezetű gyémántmódosulatot írtak le a Canyon Diablo (Arizona, USA) vasmeteoritból. A módosulatot a híres krisztallográfus, Dame Kathleen Lonsdale tiszteletére lonsdaleitnek (1 ábra) nevezték el. Képződését a becsapódás eredményeként létrejött lökéshullám átalakító folyamatának tudták be: a lökéshullám rövid ideig tartó magas hőmérsékletet és nagy nyomást generált, amelynek hatására a vasmeteoritban lévő grafit lonsdaleitté alakult.

1. ábra: Gyémánt és a lonsdaleit szerkezete. Mindkét szerkezet tetraéderesen koordinált szénatomokból (fekete golyók) felépülő rétegekből áll. A közismert gyémánt esetében a rétegek irányítottsága azonos, míg lonsdaleit esetén a rétegek irányítottsága váltakozik.
A szerkezeti ábrát Németh Péter készítette.

Az első leíró tanulmány megjelenése óta a lonsdaleit előfordulását meteorbecsapódáshoz kötötték, illetve becsapódáshoz kapcsolódó tömeges kihalás (mint pl. dinoszauroszok és mammutok) jelzésére használták. Az évek során lonsdaleit az anyagtudósok figyelmének is a központjában került. Elméleti számítások arra utaltak, hogy keménysége 58%-al felülmúlja a gyémánttét, vagyis alkalmas lehet iparilag hasznosítható, extrakeménységű termék előállítására. Azonban komoly kihívás elé állította a kutatókat, hogy önálló, egyfázisú kristályait nem találták meg, illetve nem sikerült szintetizálni.

Németh Péter valamint az amerikai Arizona Állami Egyetemről (Arizona State University – ASU) Laurence Garvie, Toshiro Aoki és Peter Buseck, továbbá a németországi Bayreuth Egyetemről Natalia Dubrovinskaia és Leonid Dubrovinszky kutatókkal együttműködve közelítette meg a lonsdaleit kérdését. Újravizsgálták a típusanyagot, a Canyon Diablo gyémántot (1. ábra), valamint mesterséges mintákat, amelyeket irodalmi adatok alapján a lonsdaleit képződési körülményei között szintetizáltak. A kutatást többek között a HUMAN MB08A hazai finanszírozású mobilitás pályázat támogatta.

2. ábra: Gyémántszemcsék a Canyon Diabló meteoritból. Skálán két vonal közötti távolság 200 mikrométer. A szemcsék az ASU meteoritgyűjteményéből származnak és a fotót Laurence Garvie készítette.

A kutatók az ASU szilárdtest fizikai központjában található csúcstechnológiás, ultranagyfelbontású elektronmikroszkópnak köszönhetően megállapították, hogy mind a Canyon Diablo, mind a mesterséges minta újfajta gyémántikrekből és rétegződési hibákból áll. Ezek a szubnanométeres skálán összenőtt hibák megmagyarázzák a lonsdaleitnek tulajdonított szerkezeti sajátságokat.

„A tanulmány konklúziója, hogy a lonsdaleit valójában azonos a jólismert köbös szerkezetű gyémánttal, amely bővelkedik – lökéshullám vagy nagynyomás, vagy nem egyensúlyi körülmények eredményeként létrejött – szerkezeti hibával” – állapítja meg Németh Péter.

„A kristályok ismétlődő egységekből állnak, hasonlóan a ház falát alkotó téglákhoz.
Az ismétlődés azonban megszakadhat. Ezeket hívjuk hibáknak. A hibák keverednek a jól ismert gyémántszerkezettel, mintha a ház falában féltégla, hosszabb tégla volna, vagy egy egész téglasor lenne finoman elcsúsztatva a másikhoz képest” – teszi hozzá Peter Buseck, az ASU professzora.

Az új eredmény egyik következménye, hogy a számos lonsdaleit – mint gyémánttól különálló fázis – létezésén alapuló tanulmány felülvizsgálatra szorul. A cikk rávilágít továbbá, hogy mind lökéshullám, mind hidrosztatikus összenyomás egyaránt eredményezhet nagyfokú rendezetlenséggel bíró gyémántszerkezetet.

Az új felfedezés felveti a Canyon Diablo gyémánt mintában megfigyelt nagyfokú szerkezeti rendezetlenségben rejlő lehetséges anyagtudományi lehetőséget. A bizarr szerkezet alkalmas lehet olyan termék előállítására, amely kivételes mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik.

Hivatkozás:

Németh, P., Garvie, L.A.J., Aoki, T., Dubrovinskaia, N., Dubrovinsky, L. and Buseck, P.R.: Lonsdaleite is faulted and twinned cubic diamond and does not exist as a discrete material,  Nature Communications 5:5447 (2014).

DOI: 10.1038/ncomms6447