Aszteroida-becsapódáskor létrejövő kőzetek és nagy erejű lökéshullámmal laboratóriumban előállított minták különleges nanoszerkezetei vezethetnek el a kiemelkedő mechanikai, elektromos, optikai és hőelektromos jellemzőkkel felruházott gyémánt-rokon anyagok új generációjához – állítja kutatótársaival közösen az Anyag- és Környezetkémiai Intézet munkatársa az anyagtudomány vezető újságjában, a Nature Materials folyóiratban megjelent „Commentary” tanulmányukban.

A gyémánt nemcsak a gazdagság szimbóluma, hanem egy nagyon fontos technológiai anyag is. Kovalens kötésű szénatomjainak köszönhetően átlátszó és extrém nagy keménységű, továbbá szélessávú szigetelő rendkívül magas hővezető képességgel. Számos alkalmazásban azonban ezeknek a jellemzőknek a hangolására, illetve más kedvező tulajdonságokkal való ötvözésére van szükség. Például a gyémánt kemény, de nem képlékeny, könnyen eltörik, ezért nem használható nagyerejű ütést elnyelő – az ütés során képlékenyen viselkedő – anyagként. Hasonlóképpen egy, a szigetelőtől a vezetőig változtatható elektromos tulajdonságú gyémánt előnyös lenne a félvezető ipar számára.

A Természettudományi Kutatóközpont Anyag- és Környezetkémiai Intézet és a Pannon Egyetem, a University of Bath, a University College London, az Arizona State University és a University of Milano-Bicocca kutatói felhívják a figyelmet a becsapódásos eredetű, valamint a laboratóriumban nagy energiájú lökéshullámmal előállított gyémántokban előforduló összetett nanoszerkezetek (1-es ábra) sokféleségére és a bennük rejlő műszaki lehetőségekre. A rangos Nature Materials folyóiratban megjelent „Commentary” tanulmány szerint (hivatkozás 1) ezen nanoszerkezetek ismeretében állíthatók elő az újgenerációs, hangolható mechanikai-, elektromos-, optikai- és hőelektromos tulajdonságokkal rendelkező gyémánt-rokon anyagok.

A becsapódásos gyémántszerkezetekről a legmodernebb ultranagy felbontású transzmissziós elektronmikroszkópi és a rétegződési hibák röntgendiffrakciós adataira kifejlesztett McDiFFaX vizsgálattal nyert, valamint a modern elektronszerkezet-számolási módszerekkel kapott ismeretanyag alapján bemutatták, hogy a széntartalmú anyagoknak van egy olyan új csoportja, amely esetben a gyémánt extrém keménysége ötvöződik a grafén kiváló flexibilitásával és törési szívósságával. E tulajdonság a gyémántszerkezettel kristálytanilag összenőtt grafén rétegeknek köszönhető, ahogy ezt nemrégiben megjelent cikkükben (hivatkozás 2) is bemutatták.

Az új tanulmányban (hivatkozás 1) a kutatók hierarchikus megközelítéssel osztályozzák a meteoritok, az aszteroida-becsapódáskor létrejövő és a laboratóriumban nagy energiájú lökéshullámmal előállított gyémánt-rokon anyagok komplex szerkezeteit, valamint vizsgálják ezek stabilitási viszonyait. Többek között leírják a rendezetlen szerkezetű és ikres gyémántok, a kovalens kötésű szénben réteges grafént tartalmazó domének, a grafitos szénnel összenőtt gyémánt egységek, valamint a kerek, fullerénszerű nanoanyagok és a különleges ötös és tizenkettes forgási szimmetriájú ikerszerkezetek összetett rendszereit. E komplex gyémántszerkezeteket eddig főként meteoritokban, becsapódáshoz köthető kőzetetekben és laboratóriumi anyagokban azonosítottak. Némelyik szerkezet a milliméteres méretű minták egész terjedelmében, más részük viszont csak a teljes anyagmennyiségnek egy kis részében fordul elő. Elméleti számítások szerint azonban ez utóbbiak is relatív alacsony energiaállapotúak, vagyis kinetikailag stabilak, ezért jó eséllyel – statikus vagy dinamikus összenyomással – nagyobb mennyiségben is előállíthatók, és atmoszférikus körülmények között kinyerhetők.

A szerzők szerint a különleges nanoszerkezetek mintájára kivételesen kemény, valamint megnövelt szívósságú és képlékeny anyagok állíthatók elő, továbbá hangolható elektromos vezetőképességű, valamint változtatható optikai és hőelektromos tulajdonságokkal rendelkező gyémántok fejleszthetők ki.

“A komplex szén nanoszerkezetek következő generációjának új alkalmazásokra való tervezése és előállítása a jövő feladata.”

összegzi Németh Péter, a tanulmány vezető kutatója.

A kutatást többek között az NKFI KH126502 pályázata, valamint az MTA Bolyai János Kutatási Ösztöndíja és az ITM ÚNKP-19-4 kódszámú programja támogatta.

További információ: nemeth.peter@ttk.hu

Hivatkozások

1. Németh P, McColl K, Garvie LAJ, Salzmann CG, Murri M, McMillan PF Complex nanostructures in diamond. Nat. Mater., 2020, doi: 10.1038/s41563-020-0759-8

2. Németh P, McColl K, Murri M, Smith RL, Garvie LAJ, Alvaro M, Pécz B, Jones AP, Corà F, Salzmann CG, McMillan PF Diamond-graphene nanocomposite structures. NanoLetts., 2020, 20(5):3611–3619. doi/10.1021/acs.nanolett.0c00556

Komplex szerkezetű gyémánt a Canyon Diablo meteoritból

1-es ábra. Komplex szerkezetű gyémánt a Canyon Diablo meteoritból.