Διαμάντι και γραφίτης αποτελούνται από άνθρακα, όμως τα άτομα τους είναι οργανωμένα με διαφορετικό τρόπο. Η διαφορετική αυτή διάταξη είναι που προσδίδει στο διαμάντι την εξαιρετική του σκληρότητα, ενώ καθιστά τον γραφίτη πολύ πιο μαλακό
Ερευνητές του Rice University ανέπτυξαν μια μέθοδο που επιτρέπει τη σταθεροποίηση του διαμαντιού κατά την επεξεργασία του σε υψηλές θερμοκρασίες και χαμηλές πιέσεις, δημιουργώντας ένα ιδιαίτερα ανθεκτικό σύνθετο υλικό. Παράλληλα, διαπίστωσαν ότι οι συγκρούσεις σε εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες μπορούν να μετατρέψουν το διαμάντι σε γραφίτη μέσα σε ελάχιστα μικροδευτερόλεπτα. Η μελέτη τους δημοσιεύθηκε στο Materials Today.
Το διαμάντι αποτελεί ένα από τα σκληρότερα γνωστά υλικά και χαρακτηρίζεται από υψηλή θερμική αγωγιμότητα, ιδιότητες που το καθιστούν ιδιαίτερα χρήσιμο σε τεχνολογίες οι οποίες λειτουργούν υπό ακραίες συνθήκες. Τα νέα ευρήματα θα μπορούσαν να συμβάλουν στον σχεδιασμό πιο ανθεκτικών υλικών για την αεροδιαστημική, την άμυνα και άλλες εφαρμογές όπου τα υλικά καλούνται να αντέξουν εξαιρετικά ισχυρές καταπονήσεις.
«Ήταν ένα ιδιαίτερα συναρπαστικό αποτέλεσμα, καθώς είναι σχεδόν αδύνατο να συντηχθεί το διαμάντι σε χαμηλότερες πιέσεις και η νέα διαδικασία που αναπτύξαμε θα μπορούσε να οδηγήσει στη μεγάλης κλίμακας παραγωγή σύνθετων υλικών με βάση το διαμάντι», δήλωσε ο Pulickel Ajayan, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης και Benjamin M. and Mary Greenwood Anderson Professor of Engineering.
Η δυσκολία δημιουργίας συμπαγούς διαμαντιού
Οι μικροσκοπικοί κόκκοι διαμαντιού είναι σχετικά φθηνοί και εύκολοι στην παραγωγή, όμως η μετατροπή τους σε μεγαλύτερες, συμπαγείς δομές έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα δύσκολη, σύμφωνα με τον Ajayan.
Μία από τις μεθόδους που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ένωση των κόκκων σε μεγαλύτερη δομή είναι η σύντηξη, μια διαδικασία κατά την οποία εφαρμόζονται θερμότητα και πίεση προκειμένου να δημιουργηθεί ένα συμπαγές υλικό. Στην περίπτωση του διαμαντιού, ωστόσο, οι υψηλές θερμοκρασίες μπορούν να προκαλέσουν τη μετατροπή του σε γραφίτη. Οι τεχνικές υψηλής πίεσης και υψηλής θερμοκρασίας μπορούν να παράγουν πολυκρυσταλλικό διαμάντι, απαιτούν όμως ακραίες πιέσεις και περιορίζουν το μέγεθος των παραγόμενων δειγμάτων.
Για να διατηρήσουν σταθερό το διαμάντι κατά την επεξεργασία, οι ερευνητές αναμείξαν μικροσκοπικούς κόκκους διαμαντιού με κυβικό νιτρίδιο του βορίου, ένα υλικό με ιδιότητες παρόμοιες με εκείνες του διαμαντιού, καθώς και κοβάλτιο, το οποίο λειτουργεί ως συνδετικό και σταθεροποιητικό στοιχείο.
Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν spark plasma sintering, μια ταχεία διαδικασία κατά την οποία εφαρμόζονται θερμότητα και πίεση ώστε οι κόκκοι σε μορφή σκόνης να μετατραπούν σε συμπαγές υλικό. Η διαδικασία οδήγησε στη δημιουργία ενός εξαιρετικά ανθεκτικού σύνθετου υλικού, στο οποίο οι κόκκοι διαμαντιού ήταν ενσωματωμένοι σε μήτρα κυβικού νιτριδίου του βορίου, ενώ το κοβάλτιο ήταν κατανεμημένο σε ολόκληρη τη δομή.
«Το σύνθετο υλικό που δημιουργήθηκε με αυτή τη διαδικασία είναι σχεδόν αδύνατο να κατεργαστεί και είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό λόγω της παρουσίας διάσπαρτων σωματιδίων διαμαντιού. Θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές στον σχεδιασμό πιο ανθεκτικών υλικών για την αεροδιαστημική, την άμυνα και άλλες τεχνολογίες που λειτουργούν υπό ακραίες συνθήκες», δήλωσε ο Abhijit Biswas, πρώτος συγγραφέας της μελέτης και ερευνητής στο τμήμα επιστήμης υλικών και νανομηχανικής του Rice.
Το διαμάντι αλλάζει μέσα σε εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου
Στη συνέχεια, οι ερευνητές υπέβαλαν το σύνθετο υλικό σε συγκρούσεις υψηλής ταχύτητας, προκειμένου να μελετήσουν τη συμπεριφορά του υπό ακραίες μηχανικές καταπονήσεις.
Μικροσκοπικά μεταλλικά βλήματα διαμέτρου 1 έως 4 χιλιοστών εκτοξεύθηκαν πάνω στο σύνθετο υλικό με υπερηχητικές ταχύτητες. Το υλικό παρέμεινε ενωμένο όταν δέχθηκε χτύπημα από βλήμα που κινούνταν με ταχύτητα μεγαλύτερη από επτά φορές την ταχύτητα του ήχου. Ένα μεγαλύτερο βλήμα, το οποίο κινούνταν ακόμη ταχύτερα, προκάλεσε τη διάλυση του σύνθετου υλικού.
Κατά τη διάρκεια της σύγκρουσης, σχεδόν όλο το διαμάντι που συμμετείχε στη μεταβολή μετατράπηκε σε γραφίτη μέσα σε διάστημα μικροδευτερολέπτων.
Διαμάντι και γραφίτης αποτελούνται από άνθρακα, όμως τα άτομα τους είναι οργανωμένα με διαφορετικό τρόπο. Η διαφορετική αυτή διάταξη είναι που προσδίδει στο διαμάντι την εξαιρετική του σκληρότητα, ενώ καθιστά τον γραφίτη πολύ πιο μαλακό.
«Διαπιστώσαμε ότι μια ακραία πρόσκρουση μπορεί να οδηγήσει το διαμάντι σε μετατροπή σε γραφίτη μέσα σε μικροδευτερόλεπτα, αντί για τη βραδύτερη διαδικασία που προκαλείται από τη θερμότητα και με την οποία συνήθως συνδέουμε αυτή τη μεταβολή», ανέφερε ο Biswas. «Αυτό μας προσφέρει μια νέα εικόνα για τη συμπεριφορά των διαμαντιών υπό ορισμένες από τις πιο απαιτητικές μηχανικές συνθήκες».
Η μετατροπή σε γραφίτη απορροφά μέρος της ενέργειας
Μετά τις συγκρούσεις, οι ερευνητές εξέτασαν το θραυσμένο σύνθετο υλικό και χρησιμοποίησαν προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής, δηλαδή υπολογιστικά μοντέλα που παρακολουθούν τον τρόπο με τον οποίο τα άτομα κινούνται και αναδιατάσσονται.
Η ανάλυσή τους εντόπισε περιοχές όπου το διαμάντι και ο γραφίτης συναντώνταν, προσφέροντας στοιχεία για τον τρόπο με τον οποίο πραγματοποιήθηκε η μετατροπή.
Σύμφωνα με τη μελέτη, η αλλαγή προκλήθηκε από την ενέργεια του κρουστικού κύματος και τις δομικές αναδιατάξεις που μετατρέπουν το διαμάντι σε γραφίτη.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι η μετατροπή σε γραφίτη συνέβαλε στην απορρόφηση μέρους της ενέργειας που απελευθερώθηκε κατά τη σύγκρουση, καθώς μεταβαλλόταν η ατομική δομή του διαμαντιού.
Τα ευρήματα προσφέρουν μια πιο λεπτομερή εικόνα για τον τρόπο με τον οποίο οι εσωτερικές δομικές μεταβολές μπορούν να ενισχύσουν την ανθεκτικότητα των υλικών όταν αυτά υποβάλλονται σε ακραίες συνθήκες.
«Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα υλικά μεταβάλλουν τη δομή και τη φάση τους υπό την επίδραση δυνάμεων, σε συνδυασμό με την αντοχή και τη σκληρότητά τους, θα μπορούσε να συμβάλει στον σχεδιασμό των προστατευτικών υλικών του μέλλοντος», δήλωσε ο Biswas.
www.worldenergynews.gr
