Aszteroidabecsapódáskor létrejövő kőzetek és laboratóriumban nagy erejű lökéshullámmal előállított minták különleges nanoszerkezetei vezethetnek el a kiemelkedő mechanikai, elektromos, optikai és hőelektromos jellemzőkkel felruházott gyémántrokon anyagok új generációjához – állítja kutatótársaival közösen az ELKH Természettudományi Kutatóközpont Anyag- és Környezetkémiai Intézetének munkatársa az anyagtudomány vezető újságjában, a Nature Materials folyóiratban megjelent „Commentary” tanulmányban.
A gyémánt nemcsak a gazdagság szimbóluma, hanem nagyon fontos technológiai anyag is. Kovalens kötésű szénatomjainak köszönhetően átlátszó és extrém nagy keménységű, továbbá széles sávú 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 nagy erejű ütést elnyelő – az ütés során képlékenyen viselkedő – anyagként. Hasonlóképpen egy, a szigetelőtől a vezetőig változtatható elektromos tulajdonságú gyémánt előnyös lenne a félvezetőipar számára.
A Természettudományi Kutatóközpont Anyag- és Környezetkémiai Intézetének, illetve 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) az ilyen nanoszerkezetek ismeretében állíthatók elő az újgenerációs, hangolható mechanikai, elektromos, optikai és hőelektromos tulajdonságokkal rendelkező gyémántrokon 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 a kutatók bemutatták, hogy a széntartalmú anyagoknak létezik egy olyan új csoportja, amelyekben a gyémánt extrém keménysége ötvöződik a grafén kiváló flexibilitásával és törési szívósságával. E tulajdonság a gyémántszerkezettel kristálytanilag összenőtt grafénrétegeknek köszönhető, ahogy ezt nemrégiben megjelent cikkükben (hivatkozás 2) is bemutatták.
Az új tanulmányban (hivatkozás 1) a kutatók hierarchikus megközelítéssel osztályozzák a meteoritok, az aszteroidabecsapódáskor létrejövő és a laboratóriumban nagy energiájú lökéshullámmal előállított gyémántrokon 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 gyémántegységek, 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 azonosították. 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 relatíve 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 a helyzetet 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
- 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
- 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