Гексагональный алмаз — это аллотропная модификация со структурой, похожей на кубический алмаз, но обладающая превосходными свойствами. Однако условия образования гексагонального алмаза чрезвычайно сложны. Самая большая проблема искусственного синтеза заключается в том, что энергия образования гексагонального алмаза при высокой температуре и высоком давлении выше, чем у кубического. Поэтому продукт, полученный при высокой температуре и высоком давлении, обычно представляет собой кубический алмаз, что затрудняет получение гексагонального алмаза.
Китайские ученые предложили инновационный метод преобразования графита в гексагональный алмаз. Используя технологию алмазных наковален (DAC), они успешно преобразовали высококачественные прекурсоры монокристаллов графита в высокоупорядоченные гексагональные алмазы размером порядка сотен микрон при контролируемой высокой температуре и высоком давлении (квазигидростатическом давлении). Используя in situ рентгеновскую дифракцию монокристаллов, группа исследователей впервые точно выявила кристаллографическую ориентацию при фазовом переходе графит-гексагональный алмаз, систематически объяснила механизм фазового перехода и подтвердила уникальную структуру тройного двойникования синтезированного образца. Для точной характеристики механических свойств гексагонального алмаза группа разработала процесс синтеза в крупноформатном прессе. Оптимизировав сочетание твердых сред, передающих давление, удалось эффективно подавить эффект дифференциального напряжения, что в конечном итоге позволило успешно получить объемные образцы гексагонального алмаза миллиметрового размера в экстремальных условиях 20 ГПа/2073 К.
Инновации исследования включают в себя:
1. Используя in situ рентгеновскую дифракцию монокристаллов, впервые удалось определить кристаллографический путь перехода графит-гексагональный алмаз на атомном уровне, что прояснило механизм фазового перехода.
2. Используя комбинацию методов многомасштабной характеризации, включая высокоразрешающую просвечивающую электронную микроскопию (HRTEM), рентгеновскую рамановскую спектроскопию, спектроскопию потерь энергии электронами (EELS) и УФ-рамановскую спектроскопию, была подтверждена sp3-гибридизация гексагонального алмаза, что продемонстрировало, что он имеет тот же механизм химических связей, что и кубический алмаз, но обладает характеристиками двойной связи.
3. Испытания на твердость по Виккерсу показывают, что гексагональный алмаз обладает механическими свойствами, сопоставимыми с кубическим алмазом, что предоставляет прямые доказательства его применения в сверхтвердых материалах.
Это систематическое исследование не только разрешает более чем 60-летние споры о макроскопическом существовании гексагонального алмаза, но и закладывает прочную основу для разработки гексагонального алмаза как высокопроизводительного функционального материала нового поколения.
