Физики синтезировали алмаз тверже природного

Алмаз общеизвестен как самый твердый минерал на Земле. Однако ученые давно стремятся получить его еще более твердую разновидность — так называемый гексагональный алмаз.

После многолетней череды победных реляций и их опровержений синтезировать этот загадочный материал в лаборатории, похоже, удалось. О достижении сообщили китайские физики в журнале Nature, и приведенные ими данные кажутся убедительными даже скептикам.

«Мы видели сотни заявлений от людей, считающих, что они его наблюдали. Но это первая очень точная характеристика этого неуловимого материала», — подчеркивает минералог-кристаллограф Оливер Чаунер из Невадского университета в Лас-Вегасе, рецензировавший статью.

Сила удара

Обычный алмаз целиком состоит из атомов углерода, образующих тетраэдры, которые в итоге формируют кубическую кристаллическую решетку. Если смотреть под определенным углом, эта решетка выглядит как стопка изогнутых слоев, напоминающих пчелиные соты. Каждый последующий слой немного смещен относительно соседних, и эта закономерность повторяется каждые три слоя. В 1962 году предсказана другая форма алмаза — с гексагональными чертами, в которой рисунок повторяется каждые два слоя.

В обычном, или кубическом, алмазе углеродные связи между слоями немного слабее, чем связи внутри слоев, что ограничивает его прочность. В гексагональной модификации связи между слоями короче и прочнее, чем в кубическом алмазе, и по расчетам, эти особенности должны делать гексагональный алмаз более чем на 50% тверже.

В 1967 году исследователи сообщили об обнаружении гексагонального алмаза в метеорите Каньон-Дьябло, который оставил знаменитый кратер в Аризоне. Они предположили, что страшный удар превратил графит в метеорите в гексагональный алмаз, и назвали этот новый минерал лонсдейлитом — в честь пионера кристаллографии Кэтлин Лонсдейл.

Примерно в то же время другая научная группа заявила, что получила гексагональный алмаз в лаборатории путем нагрева и сжатия графита. Однако тот отчет был подвергнут сомнению; высказывалось также мнение, что лонсдейлит — не гексагональный, а обычный алмаз, просто с множеством дефектов.

Пики интереса

Большая часть споров обусловлена методами определения кристаллической структуры. Делается это при помощи рентгеновской дифракции, и картина дифракционных пиков, которую дает сильно дефектный кубический алмаз, действительно очень похожа на ту, что должен продемонстрировать гексагональный, объясняет Чаунер. Чтобы окончательно доказать гексагональную структуру, необходимо наличие нескольких дополнительных характерных пиков. «В этой новой статье показаны именно такие пики, — говорит он. — Вот почему я ей верю».

Алмаз тверже, чем природный, получили из высокоориентированного пиролитического графита. Его сжали его между наковальнями из карбида вольфрама под давлением в 20 гигапаскалей (в 200 000 раз выше атмосферного) при температуре 1300–1900 °C, получив образцы гексагонального алмаза размером в миллиметры. Испытания показали, что он жестче, более устойчив к окислению и немного тверже кубического алмаза.

Точно таким же путем шла другая исследовательская группа, также из Китая, которая сообщила о получении гексагонального алмаза в прошлом году.

«Похоже, что новая статья очень похожа на нашу. Должен сказать, я не вижу разницы. Но мы рады, что они воспроизвели наши результаты», — комментирует физик Мао Хо-кван, директор Шанхайского центра передовых исследований в области физических наук, который руководил той группой.

Гексагональные знаки

«Это почти одно и то же», — согласен Чаунер. Правда, по его словам, в рентгеноструктурном анализе Мао и его коллег не хватало одного-двух дифракционных пиков, которые ожидаются у гексагонального алмаза.

Мао предполагает, что микроскопические следы кубического алмаза, загрязнявшие образцы, полученные как его командой, так и конкурентами, могут объяснить, почему полученный кристалл не такой твердый, как предсказывалось.

«Если мы сможем избавиться от всех примесей, то, вероятно, сможем сделать его еще тверже», — надеется он.

В совокупности этих работ должно быть достаточно, чтобы убедить скептиков в существовании гексагонального алмаза и возможности его получения в лаборатории, уверен физик Шань Чонгсинь из Чжэнчжоуского университета, один из руководителей нового исследования.

Кроме того, это повод возобновить поиски настоящего гексагонального алмаза в метеоритах, добавил Чаунер.