Az ELKH Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont (CSFK) és az ELKH Energiatudományi Kutatóközpont (EK) munkatársai vezették azt a kutatást, amelynek keretében egy nemzetközi kutatócsoport tagjai az arizonai sivatagban 1891-ben talált Canyon Diablo vasmeteoritból származó lonsdaleit ásványt tanulmányozták a legkorszerűbb elektronmikroszkópos, krisztallográfiai és spektroszkópiai vizsgálatokkal. A kutatók megállapították, hogy a Földnek ütköző aszteroidák okozta lökéshullámok különleges gyémántszerű anyagokat hoznak létre, melyek szabályozott előállításával ultrakemény és képlékeny anyagok is tervezhetők. Az eredményeket összefoglaló tanulmány a Proceedings of the National Academy of Sciences című rangos nemzetközi szakfolyóiratban jelent meg 2022. július 22-én.

Aszteroidabecsapódás során nagy energiájú és sebességű lökéshullám keletkezik, amely rövid ideig tartó magas hőmérsékletet és extrém nyomást képes generálni. A különleges geológiai folyamat kedvez a nem egyensúlyi körülmények kialakulásának és a kivételes tulajdonságú anyagok képződésének.

Németh Péter, a CSFK Földtani és Geokémiai Intézetének tudományos főmunkatársa, valamint Fogarassy Zsolt, Illés Levente és Pécz Béla, az EK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetének kutatói külföldi kollégáikkal az arizonai sivatagban 1891-ben talált Canyon Diablo vasmeteoritból származó lonsdaleit nevű ásványt tanulmányozták a legkorszerűbb elektronmikroszkópos, krisztallográfiai és spektroszkópiai vizsgálatokkal. Az úttörő brit krisztallográfusról, Kathleen Lonsdale professzorról elnevezett ásványról korábban úgy gondolták, hogy tiszta hexagonális szerkezetű gyémántból áll, ami különbözik a jól ismert köbös, kockaszerű kristályrácsú gyémánttól.

A mostani kutatás eredményei megkérdőjelezik a lonsdaleit szerkezetének eddigi leegyszerűsített felfogását. A kutatók megállapították, hogy a körülbelül 50 ezer évvel ezelőtti aszteroidaütközés során létrejött, egyedülálló tulajdonságokkal rendelkező lonsdaleit valójában gyémánt–grafit nanoszerkezetek változatos összenövéseiből álló úgynevezett diafit, amely tulajdonképpen a két anyag közös szerkezete egyetlen kristályrácsban. Az ásványban emellett az atomrétegek ismétlődő mintázataiban előforduló számos rétegződési hiba is megfigyelhető.

Aszteroidabecsapódáskor létrejövő diafit (gyémánt–grafit) szerkezet. A piros gyémántszimbólummal körvonalazott központi rész (körülbelül 1,5 nanométer) jelöli a nanokristályos gyémántot, a zöld szín pedig a grafitot. A piros és a zöld közötti átmeneti szín a gyémánt és a grafit közötti átmeneti kötéstípusra utal.

Az eredmények alapján a grafén- és a gyémántszerkezetek közötti összenövések különböző típusainak azonosítása hozzájárulhat az aszteroidabecsapódások során fellépő nyomás- és hőmérsékletviszonyok jobb megértéséhez. A kutatók megállapították, hogy a gyémánt és a grafén határfelületén található szénatomok egyedi környezete miatt a grafénrétegek közötti távolság jelentősen eltér a megszokottól. Azt is felismerték, hogy a diafit szerkezete felelős egy eddig megmagyarázhatatlan Raman-spektroszkópiai sáv megjelenéséért. A gyémántban lévő diafitszerkezetek ennek köszönhetően mostantól egyszerű spektroszkópiai technikával is azonosíthatók anélkül, hogy drága és munkaigényes elektronmikroszkópiára lenne szükség.

A Canyon Diablo-mintában azonosított összetett szerkezetek számos más széntartalmú anyagban előfordulhatnak. A kutatók úgy gondolják, hogy nemcsak egy aszteroidabecsapódás során létrejövő dinamikus lökéshullám, hanem magas nyomáson és hőmérsékleten történő statikus összenyomás, valamint kémiai gőzfázisú leválasztás is létrehozhat diafitszerkezeteket. A diafitok szabályozott rétegnövesztésével ultrakemény és ugyanakkor képlékeny, továbbá a vezetőtől a szigetelőig hangolható elektronikai tulajdonságokkal rendelkező anyagok is tervezhetők. A felfedezés megnyitja az utat az izgalmas mechanikai és elektronikus tulajdonságokkal rendelkező, új típusú gyémántszerű anyagok tervezése előtt, így a csiszolóanyagoktól az elektronikán és a nanomedicinán át a lézertechnológiáig számos ipari területen jöhetnek létre új alkalmazások.

A kutatók elismeréssel gondolnak a néhai társszerző Paul McMillan professzorra, aki fontos szerepet játszott a kutatócsoport létrehozásában, és fáradhatatlan lelkesedéssel járult hozzá a gyémántkutatás terén elért sikerekhez.

A projekt többek között az NKFI Alap, valamint az MTA Bolyai János Kutatási Ösztöndíj támogatásával valósult meg.

Publikáció:

Péter Németh, Hector J. Lancaster, Cristoph G. Salzmann, Kit McColl, Zsolt Fogarassy, Laurence A. J. Garvie, Levente Illés, Béla Pécz, Mara Murri, Furio Corà, Rachael L. Smith, Mohamed Mezouar, Cristopher A. Howard, Paul F. McMillan (2022). Shock-formed carbon materials with intergrown sp3– and sp2-bonded nanostructured units. Proceedings of the National Academy of Sciences, Vol. 119. doi: 10.1073/pnas.2203672119