Chociaż diamenty na całym świecie są znane ze swojej wyjątkowej twardości i wytrzymałości, nowe badania pokazują, że reputacja „niezniszczalnych” kamieni zmienia się, gdy ich rozmiary zostaną zmniejszone do nanoskali. Naukowcy odkryli, że w miarę jak diamenty stają się niewiarygodnie małe, w rzeczywistości stają się bardziej elastyczne i mniej sztywne.
Zakres otwarcia
Zespół badawczy kierowany przez Chongxina Shana z Uniwersytetu w Zhengzhou badał, jak zachowują się diamenty po zredukowaniu do mikroskopijnych rozmiarów. Skupiono się na nanodiamentach o średnicy zaledwie 4 nanometrów – w skali setki razy mniejszej niż rozmiar typowego wirusa.
Aby przetestować te maleńkie kryształy, zespół użył specjalistycznego zestawu:
– Kompresja: Każdy nanodiament został ściśnięty pomiędzy dwoma cylindrami z diamentowymi końcówkami.
– Pomiar: Czujnik siły zarejestrował odporność diamentu na nacisk.
– Wizualizacja: specjalny mikroskop umożliwił bezpośrednie obejrzenie diamentu w procesie kompresji.
Aby zapewnić dokładność i wyeliminować hałas otoczenia, badacze przeprowadzili eksperymenty w wysokiej próżni i powtórzyli proces z około 100 różnymi diamentami.
Dlaczego małe diamenty stają się „miękkie”?
Badanie wykazało bezpośrednią korelację między rozmiarem a elastycznością: gdy średnica diamentów została zmniejszona z 12 do 4 nanometrów, ich twardość spadła o około 30%.
Przyczyną tej zmiany jest stosunek powierzchni do rdzenia diamentu. W dużych diamentach dominuje „masa” czyli rdzeń kryształu, który zapewnia ogromną wytrzymałość strukturalną. Jednak w nanoskali stosunek powierzchni do objętości zmienia się dramatycznie:
- Dominacja na powierzchni: Znacznie większy procent atomów diamentu znajduje się na jego powierzchniowej warstwie, a nie w środku.
- Słabe wiązania: Wiązania chemiczne łączące tę warstwę powierzchniową z rdzeniem są stosunkowo słabe.
- Elastyczność: Ponieważ atomy powierzchniowe odgrywają tak znaczącą rolę, diament zachowuje się bardziej jak materiał elastyczny niż sztywny.
Dlaczego jest to ważne dla przyszłych technologii
To odkrycie to nie tylko ciekawostka naukowa; jest to niezbędne dla technologii następnej generacji. W miarę jak diamenty wytwarzane przez człowieka stają się coraz tańsze, są one wprowadzane do gałęzi przemysłu zaawansowanych technologii.
Według Yan Lu z Uniwersytetu Miejskiego w Hongkongu zrozumienie tych zmieniających się właściwości fizycznych ma kluczowe znaczenie, ponieważ nanodiamenty stają się niezbędnymi składnikami:
– Najnowsza elektronika
– Urządzenia do obliczeń kwantowych
Ponieważ inżynierowie projektują coraz mniejsze i wydajniejsze urządzenia, muszą wziąć pod uwagę fakt, że materiały zachowują się inaczej w nanoskali niż w postaci masowej.
Wniosek: Udowadniając, że diamenty tracą swoją charakterystyczną twardość w nanoskali, badania te stanowią ważny plan działania dla inżynierów pracujących nad zintegrowaniem maleńkich kryształków diamentu z przyszłością technologii kwantowych i elektronicznych.
