Araştırmacılar ilk kez sertlik ve ısı direnci açısından doğal modelini önemli ölçüde aşan yapay bir elmas yarattılar. Yapay elmasın kristal yapısı, arayüzünde bir görüntüye ve bir ayna görüntüsüne benzer, bu da onu özellikle sağlam kılar.
Qinhuangdao (Çin). Elmaslar cam ve seramik malzemeleri keser veya diğer özellikle sert malzemeleri kesmek veya delmek için gereklidir. Elmaslı özel aletler, örneğin otomotiv endüstrisinde, dişçilik teknolojisinde veya saat yapımında bulunur. Ancak elmas uçlu aletler vazgeçilmez olsa bile, ciddi bir dezavantajları vardır: işleme sırasında elmas ucu kademeli olarak bozan ısı üretilir.
Qinhuangdao’daki Yanshan Üniversitesi’nden araştırmacı Quan Huang ve meslektaşları şimdi, doğal muadilinden çok daha sert ve ısıya daha dayanıklı olan sözde bir nanotwin elması yarattılar. Araştırmacıların Nature dergisinde bildirdiği gibi, bu tür ultra sert malzemelerin oluşturulması tamamen yeni araçların üretilmesini mümkün kılıyor.
Doğal elmasların zayıf noktaları
Huang, “Havada, doğal elmaslar yaklaşık 800 santigrat derecede oksitlenmeye başlar” diye açıklıyor. İşleme sırasında bu sıcaklıklara ulaşılırsa, bu elmas takımların önemli ölçüde aşınmasına yol açar. Bu nedenle, dünya çapında birçok araştırma grubu yıllardır elmas kadar sert ancak ısıya çok daha dayanıklı malzemeler üretmeye çalışıyor.
Teorik olarak, bir elmastaki mikro yapıların boyutu küçültülürse ve kristaldeki arayüzler de her biri paralel arayüzler oluşturacak şekilde düzenlenirse, malzemeler bu özellikleri sergileyebilir. Görüntünün ve ayna görüntüsünün birbirine bakma şekline benzer. Bununla birlikte, şimdiye kadar hiçbir araştırma ekibi, grafit veya diğer doğal karbon türevlerinden yapay olarak böyle bir nanotwin elması üretmeyi başaramadı.
Karbondan yapay elmasa
Huang ve meslektaşları, deneyleri için özel bir karbon formu olan soğan karbonunu seçtiler. Bunlar, eşmerkezli, grafit benzeri kabuklardan oluşan küçük, çok sağlam karbon kürelerdir. Araştırmacılar, bu karbon kürelerinin büyük miktarlarda üretilmesinin kolay olduğuna dikkat çekiyor. Karbon, özel bir fırında 1.850 ila 2.000 santigrat dereceye kadar ısıtılır ve sekiz ila 25 gigapaskal basınca tabi tutulur. Bu kabaca birkaç yüz kilometre derinlikte yer kabuğunda hakim olan basınca karşılık gelir.
Bu iki süreçten geçtikten sonra karbon, mikro yapısı istenen nano-ikiz oluşumlarını sergileyen şeffaf bir elmas kristalidir. X-ışını kristalografisi kullanılarak yapılan müteakip analiz, tek tek Nanotwin birimlerinin yalnızca beş nanometre kalınlığında olduğunu gösterdi.
Yapay elmaslar teste tabi tutuldu
Şimdi can alıcı soru, yapay elmasların ne kadar sağlam olduğuydu. Araştırmacılar yapay elmasları bir preste aşırı basınca maruz bıraktılar. Bu şekilde, yapay elmasta deformasyonların veya çatlakların ne zaman ortaya çıktığını kontrol ettiler. Huang ve meslektaşları, “Hem sertlik hem de kırılma mukavemeti açısından, Nanotwin elmaslarımız daha önce bilinen tüm elmas türlerini veya alet malzemelerini geride bırakıyor” diyor.
Nanotwin elmasları ısı testinde de kendini kanıtladı. Doğal elmaslar ilk çözünme belirtilerini 780 santigrat derecede gösterirken, Nanotwin elmasları sadece 980 santigrat derecede çözünme belirtileri gösterir. Araştırmacılar, “Bu elmaslar eşsiz mekanik özelliklere sahip” diyor.
Araştırmacılara göre, Nanotwin elmaslarının başarılı sentezi, seçilen mikro yapının ultra sert malzemelerin sertliğini, kırılma tokluğunu ve termal kararlılığını daha da artırmanın etkili bir yolu olduğunu gösteriyor. Bu nedenle bu yaklaşım, olağanüstü tokluğa sahip yeni karbon bazlı malzemeler oluşturmak için özellikle uygundur. Huang ve meslektaşları, rekor elmaslarını bile bu konuda daha da optimize edebileceklerine inanıyorlar.
