A CSFK kutatója vezette a különleges szimmetriájú nanogyémántok szerkezeti sajátosságainak és új alkalmazási lehetőségeinek a feltárására irányuló nemzetközi projektet

Hírek

Az ELKH Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont (CSFK) Földtani és Geokémiai Intézetének kutatója és munkatársai különleges szimmetriájú szén nanokristályok vizsgálatával a nanogyémántok valódi szerkezetére és új alkalmazási lehetőségeire világítottak rá. A kutatók erről szóló tanulmánya – amely az eddigi ellentmondásos mikroszkópi és spektroszkópi megfigyelésekre is meggyőző magyarázatot ad – a rangos Diamond and Related Materials folyóiratban jelent meg.

A nanogyémántok végtelenül kicsi, az emberi hajszálnál mintegy tíz-húszezerszer kisebb kristályok, amelyek jelentőségük miatt több tudományterület fókuszában állnak. Megtalálhatók meteoritokban, fiatal csillagok (HD 97048, Elias) környezetében, a csillagközi porban (üstökösök), valamint bizonyos – aszteroidabecsapódáshoz köthető – üledékes rétegekben is leírták már őket; a földtudósok és bolygókutatók ezért továbbra is tanulmányozzák megjelenésüket. A nanogyémántok egyedi fizikai és mechanikai tulajdonságaiknak köszönhetően az anyagtudományi kutatásoknak is a középpontjában állnak, mivel alkalmasak kemény és ellenálló bevonatok, csiszolóporok, motorolaj-adalékok, valamint kivételes tulajdonságú polimer- és fémkompozitok készítésére. Emellett a nanoanyagok ígéretesek mint gyógyszerhordozók, ezért orvosi kezelésekben is felhasználhatók, különös tekintettel a rákgyógyászatra.

Jelentőségük ellenére azonban a nanogyémántok szerkezeti sajátosságait számos kérdés övezi. Habár az általánosan elfogadott nézet szerint szerkezetük gyémántból – kovalens kötésű szénatomok háromdimenziós elrendeződéséből – áll, elektronmikroszkópi, diffrakciós és spektroszkópi jellemzőik jelentősen eltérnek a jól ismert gyémántétól.

Németh Péter, a CSFK kutatója és külföldi kutatótársainak legújabb vizsgálati eredménye szerint a nanogyémánt szemcsék egy jelentős része valójában nem is gyémánt, hanem nanoméretű gyémánt és grafit szerkezeti elemek kristálytani összenövéséből álló úgynevezett diafit. Ezt az új, a gyémánttal rokon anyagcsaládot a kutatócsoport korábbi kutatásai során aszteroidabecsapódáshoz köthető és mesterséges lökéshullámmal előállított tömbi mintákban már azonosította. Ezúttal a kutatók az Orgueil és a Murchison meteoritokból és egy mesterségesen – kémiai gőzfázisú leválasztással – előállított mintából származó nanogyémántot (1. ábra) vizsgáltak a legkorszerűbb elektronmikroszkópokkal, röntgendiffrakcióval és mikroRaman-spektroszkópiával. Az eredményeket energiaszámításokkal modellezték.

1-es kép
1. ábra: Nanogyémánt aggregátumok és egyedi nanoméretű gyémánt az Orgueil meteoritból

A kutatók olyan nanoméretű szénszemcséket találtak, amelyek különleges hatos és tizenkettes szimmetriáját a gyémánt szerkezetével nem lehetett magyarázni. Megállapították, hogy a különleges szimmetria megjelenése a diafitszerkezetnek köszönhető (2. ábra). A szerkezeti modellezés rámutatott arra is, hogy a hatos és tizenkettes szimmetria csak a szemcsék bizonyos vetületeiben jelenik meg elektronmikroszkópi felvételeken, a nanogyémántok általános orientációiban a különleges szimmetria rejtve marad, ezért a diafitszerkezet felismerése komoly kihívást jelent. Ez a megfigyelés megmagyarázhatja, hogy a korábbi kutatások miért hagyhatták figyelmen kívül a nanoméretű diafitdoméneket.

2-es kép
2. ábra: Hatos és tizenkettes szimmetriájú nanoméretű diafit

A kutatócsoport energiaszámításokkal meghatározta a diafitok spektroszkópi sajátosságait, és azt találta, hogy azok nagyon jól egyeznek a kísérleti eredményekkel. Arra a következtetésre jutottak, hogy a nanogyémántoknál megfigyelt – a gyémántszerkezettel nem összeegyeztethető – különleges spektroszkópi sajátosságok a diafitszerkezetben lévő különböző kötésű szénatomoktól származnak (3. ábra).

3-as kép
3. ábra: A diafitban található különböző kötésállapotú szénatomok

A tanulmány nemcsak az eddigi ellentmondásos mikroszkópi és spektroszkópi megfigyelésekre talál meggyőző magyarázatot, hanem rávilágít a diafitszerkezetben rejlő alkalmazási lehetőségekre is. A kutatók felhívják a figyelmet arra, hogy a különböző kötésállapotú szénatomoknak köszönhetően a diafitoknak kiváló mechanikai és elektromos tulajdonságaik vannak. A kísérleti paraméterek változtatása, illetve a gyémántrétegek meghatározott területeinek lézeres kezelése lehetőséget biztosíthat diafitszerkezetek tudatos kialakítására, ezáltal a szigetelőtől a vezetőig hangolható elektromos tulajdonságú – a félvezetőipar számára előnyös – nanoanyagok kifejlesztésére.

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

Kapcsolódó publikációk:

Németh P, McColl K, Garvie LAJ, Salzmann CG, Pickard J, Corà F, Smith RL, Mohamed M, Howard CA, McMillan PF Diaphite-structured nanodiamonds with with six- and twelve-fold symmetries. Diamond and Related Materials 2021, 119,108573.

Németh P, McColl K, Garvie LAJ, Salzmann CG, Murri M, McMillan PF Complex nanostructures in diamond. Nat. Mater., 2020, 19, 1126-1131

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. Nano Letts., 2020, 20(5), 3611–3619.