Після десятиліть наукових суперечок дослідники змогли отримати одну з найрідкісніших форм вуглецю — так званий гексагональний алмаз. Команда китайських фізиків повідомила про синтез кристалів цього матеріалу розміром близько одного міліметра, що стало першим переконливим підтвердженням його структури. Результат не лише розв’язує давню наукову загадку, а й відкриває нові перспективи для матеріалознавства та промислових технологій.
Звичайні алмази, знайомі нам по ювелірних виробах, мають кубічну кристалічну решітку: атоми вуглецю в них розташовані у тривимірній структурі, що формує один із найміцніших природних матеріалів. Гексагональна форма, відома також як лонсдейліт, відрізняється іншим типом упорядкування атомів — у вигляді шестикутної решітки. Вперше такі структури виявили в породах, утворених після падіння метеоритів. Однак зразки були надто малі та містили домішки, через що вчені довгий час сперечалися: чи справді це окремий матеріал, чи лише різновид звичайного алмазу з дефектами кристалічної решітки.
Інтерес до цієї структури пояснюється її потенційними властивостями. У кубічному алмазі зв’язки між атомами вуглецю всередині шарів дещо сильніші, ніж зв’язки між шарами. У гексагональній формі міжшарові зв’язки коротші та міцніші, що теоретично могло зробити такий матеріал надзвичайно твердим — за деякими оцінками навіть на 50% твердішим за звичайний алмаз. Саме тому науковці давно намагалися отримати чисту форму цього матеріалу в лабораторних умовах.
Група дослідників під керівництвом фізика Чунсіня Шаня з Чженчжоуського університету використала метод високого тиску та високої температури. У лабораторному експерименті графіт стискали між твердими ковадлами з карбіду вольфраму під тиском близько 20 гігапаскалів — це приблизно у 200 тисяч разів більше за атмосферний тиск на поверхні Землі. Одночасно матеріал нагрівали до температури близько 1900 °C. За таких екстремальних умов атоми вуглецю перебудувалися у гексагональну кристалічну решітку, сформувавши нові кристали.
Щоб переконатися в чистоті отриманого матеріалу, вчені застосували рентгенівську дифракцію та мікроскопію на атомному рівні. Аналіз показав, що створені кристали дійсно мають гексагональну структуру без домішок інших фаз. Дослідження також продемонстрували, що новий матеріал відзначається високою жорсткістю і краще протистоїть окисненню, ніж звичайний алмаз. Проте твердість виявилася лише трохи більшою, ніж у традиційних алмазів, а не на 50%, як передбачали ранні теоретичні моделі. Це означає, що науковцям доведеться уточнити межі міцності матеріалів на основі вуглецю.
Незважаючи на це, створення «чистофазного» гексагонального алмазу є важливим досягненням. Такий матеріал може знайти застосування у виробництві надміцних ріжучих інструментів, бурового обладнання для глибоких геологічних робіт, а також у системах відведення тепла для високотехнологічної електроніки. Дослідники також розглядають можливість його використання у квантових сенсорах — пристроях, здатних надзвичайно точно вимірювати магнітні та інші фізичні поля.
Крім технологічних перспектив, це відкриття має значення і для геології. Розуміння того, як формується гексагональний алмаз у природі, допоможе вченим точніше реконструювати процеси, що відбуваються під час метеоритних ударів на Землі та інших планетах. Вперше отримавши достатньо великі та чисті кристали цього матеріалу, дослідники зробили важливий крок до розкриття властивостей одного з найзагадковіших різновидів алмазу.