9 دقیقه
پیشرفت آزمایشگاهی: الماس متئوریتی (لُنزدالایت) که در مقیاس تولید شد
برای نخستین‌بار، دانشمندان مقدار قابلتوجهی از الماس متئوریتی — لُنزدالایت، که به آن الماس ششضلعی نیز گفته می‌شود — را در یک آزمایش کنترل‌شده تولید کردند. این ماده که نظریه پیشبینی کرده بود به‌طور قابلتوجهی سختتر از الماس مکعبی معمولی است، به‌صورت دیسک‌های ریز فوق‌سخت با استفاده از سنتز در فشار و دمای بالا ساخته شد. این کار که در نشریه Nature در تاریخ 30 ژوئیه 2025 گزارش شد، گامی حیاتی در راستای تأیید دهه‌ها پیشبینی نظری درباره شبکه‌های کربن ششضلعی و بررسی کاربردهای صنعتی آن‌ها محسوب می‌شود.
پیش‌زمینه علمی: چه چیزی لُنزدالایت را از الماس معمولی متمایز می‌کند
الماس شناخته‌شده‌ترین ماده طبیعی فوق‌سخت است زیرا هر اتم کربن چهار پیوند معادل sp3 برقرار می‌کند و شبکه‌ای از تِتراهِدرها ایجاد می‌شود. در شبکهٔ متداول الماس مکعبی (مرکزی-صفحه‌ای)، این تِتراهِدرها در سه لایهٔ تکرارشوندهٔ متمایز به‌نام‌های A، B و C روی هم قرار میگیرند. این چینش سه‌لایه‌ای ABC ویژگی‌های مکانیکی و الکترونیکی خاص الماس مکعبی را می‌سازد.
در مقابل، لُنزدالایت از تقارن بلوری ششضلعی پیروی می‌کند که ناشی از وجود تنها دو لایهٔ تکرارشونده، با نام‌های A و B، است که به‌صورت توالی AB روی هم قرار میگیرند. تفاوت ظریف است: برخی طولهای پیوند کربن–کربن کمی کوتاه‌تر و برخی کمی بلندتر از حالت در الماس مکعبی می‌شوند. بلورشناسان پیشبینی کرده بودند که این چینش ششضلعی باید سختی و سفتی را افزایش دهد؛ مدل‌های نظری افزایش سختی در بازهٔ تقریباً 50–60٪ نسبت به الماس مکعبی را پیشنهاد کردهاند. دانه‌های کوچک و ناخالصی که به‌طور مشکوک به لُنزدالایت نسبت داده شده بودند، در قطعات شهاب‌سنگ کانین دیابلو در دههٔ 1960 گزارش شده بودند، اما آلودگی با گرافیت، الماس مکعبی و کربن آمورف تا دهه‌ها وجود الماس خالص ششضلعی را مورد تردید قرار داد.
نموداری که تفاوت‌های ساختاری بین الماس مکعبی (چپ) و الماس متئوریتی (راست) را نشان میدهد. (اعتبار تصویر: Ralf Riedel)
جزئیات آزمایش: چگونه پژوهشگران محیط برخورد را در آزمایشگاه بازتولید کردند
با الهام از دانه‌های شبیه لُنزدالایت یافت‌شده در شهاب‌سنگ کانین دیابلو، ونگه یانگ و همکارانش در مرکز علم و فناوری فشار بالا (HPSTAR) در پکن آزمایشی طراحی کردند تا فشارها و دماهای شدید برخوردهای شهاب‌سنگی را شبیه‌سازی کنند. تیم کار را با گرافیت با خلوص بالا بهعنوان خوراک کربن آغاز کرد و از یک سلّ الماس محکم‌کننده (DAC) برای اعمال فشارهای ایستا در حد چندین ده گیگاپاسکال استفاده نمود.
پارامترها و پروتکل سنتز
- فشار: حدود 20 گیگاپاسکال (تقریباً 200٬000 اتمسفر)، کافی برای مجبور کردن لایههای کربنی مجاور به لغزش و بازپیوند.
- گرمادهی: لیزر بسیار متمرکزی حرارت موضعی بالای 1400 درجهٔ سلسیوس فراهم کرد تا بازآرایی اتمی فعال شود بی‌آنکه ذوب رخ دهد.
- سینتیک: فشرده‌سازی آهسته و کنترل‌شده و کاهش فشار تدریجی و دقیق برای قفل کردن الگوی چینش ششضلعی و جلوگیری از بازگشت به گرافیت.
یانگ در مکاتبه با مطبوعات گفت: "در فشارهای حدود 20 گیگاپاسکال (200٬000 اتمسفر)، لایههای صاف کربن در گرافیت مجبور به لغزش و پیوند با لایههای مجاور می‌شوند و ساختاری مانند کندوی زنبوری کربنیِ تاب‌دار که مشخصهٔ الماس ششضلعی است، شکل می‌گیرد." او افزود: "گرمادهی لیزری بالای 1400 درجهٔ سلسیوس این گذار را تسهیل می‌کند." گرمادهی لیزری و آزادسازی آهستهٔ فشار نقش حیاتی داشتند: آزادسازی سریع یا کنترل حرارتی ناکافی خطر بازگشت ماده به گرافیت یا ایجاد فازهای مختلط کربن را افزایش میدهد.
این پژوهش از قطعه‌ای از شهاب‌سنگ کانین دیابلو الهام گرفته بود که لُنزدالایت در آن یافت شده و احتمالاً در نتیجهٔ فشارها و دماهای بالا در زمان برخورد با زمین شکل گرفته است. (اعتبار تصویر: By Geoffrey Notkin, Aerolite Meteorites of TucsonOriginal uploader was Geoking42 at en.wikipedia - Transferred from en.wikipedia(Original text : Self-made. Image created by Geoffrey Notkin, Aerolite Meteorites [1]), CC BY-SA 2.5, Link)
شناسایی و یافته‌های اولیه
پس از سنتز، تیم از میکروسکوپ الکترونی با تفکیک بالا، بلورنگاری پرتو ایکس و تحلیل پراش برای بررسی ساختار اتمی استفاده کرد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) چینش لایههای AB را نشان داد که با تقارن ششضلعی سازگار بود. الگوهای بلورنگاری پرتو ایکس با شبکهٔ ششضلعی مورد انتظار لُنزدالایت مطابقت داشتند و تأیید کردند که دیسک‌ها شامل حوزه‌های واقعی الماس ششضلعی هستند.
اگرچه دیسک‌ها کوچک و عاری از شمول‌های الماس مکعبی نبودند، مشاهدات شواهد ساختاری روشنی ارائه میدهد که الماس ششضلعی میتواند تحت شرایط کنترل‌شده در آزمایشگاه تولید شود. آزمون‌های سختی نیازمند نمونههای بزرگتر و بدون نقص بیشتری نسبت به آنچه در این اولین نمایش تولید شد هستند، بنابراین نویسندگان مقدار سختی قطعی برای نمونههای خود گزارش نکردند. با این حال، در ارزیابیهای محدود نشان دادند که مادهٔ جدید دستکم بهاندازهٔ الماس معمولی سخت است.
سومن ماندال، فیزیک‌دانی از دانشگاه کاردیف که روی کاربردهای الماس تحقیق می‌کند، در نظری مستقل گفت: "این یک نمایش اولیهٔ خوب است. حالا به بلورها و مادهٔ خالص‌تری نیاز داریم تا شروع به بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی، خواص حرارتی و الکتریکی کنیم — همهٔ این‌ها."
پیامدها برای صنعت و پژوهش
اگر بتوان بلورهای لُنزدالایت بزرگتر و با خلوص بالا را به‌طور قابل‌اعتماد تولید کرد، این ماده بهدلیل سختی پیش‌بینی‌شدهٔ بالاتر و احتمالاً خواص حرارتی و الکترونیکی متمایز میتواند در چندین حوزهٔ فناوری بهتر از الماس مکعبی عمل کند. کاربردهای کلیدی بالقوه عبارت‌اند از:
- سایندههای صنعتی و متهها برای معدن و عملیات نفت و گاز، جایی که افزایش سختی مستقیماً به عمر طولانی‌تر ابزار و کارایی بهتر منجر می‌شود.
- ابزارهای ماشین‌کاری و برش دقیق که نیازمند مقاومت سایشی بسیار بالا هستند.
- الکترونیک توان بالا و پهنه-گشودهٔ باند و سامانههای مدیریت حرارتی که از هدایتی حرارتی استثنایی الماس بهره می‌برند؛ الماس ششضلعی ممکن است مزایای ساختاری و نوار انرژی الکترونیکی متفاوتی ارائه دهد.
- فناوریهای کوانتومی و حسگرها: الماس هم‌اکنون میزبان مراکز نیتروژن-خلأ و سامانههای کوانتومی مبتنی بر نقص است؛ تقارن شبکهٔ جدید میتواند فرصت‌های تازه‌ای برای مهندسی نقص‌های کوانتومی فراهم کند.
تیم HPSTAR برآورد می‌کند که پذیرش صنعتی عملی ممکن است هنوز حدود یک دهه طول بکشد، با توجه به نیاز به افزایش اندازهٔ نمونه، کاهش ناخالصیها و شناسایی کامل رفتار مکانیکی، حرارتی و الکتریکی.
دیدگاه کارشناسان
دکتر النا پارک، دانشمند مواد (ساختگی)، اظهار داشت: "این یک نقطهٔ عطف آزمایشی مهم است. چالش اکنون در مقیاس و خلوص است. تولید چینش AB جداشده در حوزه‌های میلی‌متری بدون آلودگی مکعبی نیازمند اصلاح مسیرهای فشار، پروفایل‌های گرمادهی و کنترل مواد اولیه است. اگر این موانع برداشته شوند، بازده مهندسی میتواند برای ابزار برشی و دستگاه‌های حرارتی بسیار چشمگیر باشد."
دکتر مارکوس آلوفمی، فیزیک‌پژوه کاربردی (ساختگی)، اضافه کرد: "ما باید شیمی نقص‌ها در الماس ششضلعی را نیز مطالعه کنیم. نقص‌ها نه تنها تعیین‌کنندهٔ استحکام مکانیکی‌اند بلکه خواص الکترونیکی و نوری را هم رقم می‌زنند. یک تقارن شبکهٔ جدید به معنی رفتارهای نقص جدید است — که میتواند برای کاربردهای خاص در فوتونیک یا حسگری کوانتومی مهندسی شود."
گام‌های بعدی برای پژوهش
برای گذار از اثبات مفهوم آزمایشگاهی به سکوی مواد کاربردی، پژوهشگران و شرکای صنعتی باید چند اولویت را دنبال کنند:
- افزایش مقیاس تولید: توسعه روش‌هایی برای سنتز بلورهای پیوسته و بزرگتر لُنزدالایت، چه از طریق فشرده‌سازی ایستا، تکنیک‌های شوک، یا مسیرهای شیمیایی نوین.
- کنترل خلوص: حذف الماس مکعبی باقیمانده، گرافیت و کربن آمورف برای امکان‌پذیر ساختن آزمون‌های مکانیکی و ساخت دستگاه‌ها.
- نگاشت جامع خواص: اندازه‌گیری سختی (ویکرز، کونوپ، نانوایندنتیشن)، شکنندگی، هدایت حرارتی، شکاف نواری الکترونیکی و رفتار نقص در گستره‌ای از کیفیت‌ها و جهت‌گیری‌های نمونه.
- ارزیابی اقتصادی و زیست‌محیطی: بررسی اینکه آیا هزینه‌های انرژی و تجهیزات تولید الماس ششضلعی در مقیاس صنعتی برای کاربردهای هدف قابل توجیه است یا خیر.
نتیجه‌گیری
سنتز آزمایشگاهی دیسک‌های لُنزدالایت نمایانگر یک تأییدیهٔ تجربی مهم از ماده‌ای است که دانشمندان مدت‌ها در پی جداسازی و مطالعهٔ آن بودند. با بازتولید فشارها و دماهای مشابه برخورد با سلّ الماس و گرمادهی لیزری هدفمند، پژوهشگران حوزه‌های کربنی با چینش ششضلعی ایجاد و ساختار آن‌ها را با میکروسکوپ الکترونی و بلورنگاری پرتو ایکس تأیید کردند. اگرچه نمونه‌ها هنوز کوچک و تا حدودی ناخالص‌اند، نتایج مسیر آزمایش و بررسی ماده‌ای را که نظریه پیشبینی کرده میتواند تا 50–60٪ سختتر از الماس مکعبی باشد، دوباره باز می‌کند. دستیابی به بلورهای بزرگتر و خالص‌تر چالش بعدی آشکار است؛ در صورت موفقیت، الماس ششضلعی میتواند طی دههٔ آینده بخش‌هایی از صنعت تولید، الکترونیک و فناوریهای کوانتومی را متحول کند.
منبع: livescience
.avif)
نظرات