137346
A tudomány hírei
Vissza
2015. 12. 29.

Egyszerűsödik a nanogyémántok ábécéje

Meglepő eredményre jutott az MTA Természettudományi Kutatóközpont munkatársa külföldi kollégáival együttműködve a nanogyémántok szerkezetének vizsgálata során. Irodalmi adatok alapján különböző típusokat – a nanogyémántok ábécéjének tagjait, például h-,i-, m-, n-gyémántot – kellett volna azonosítaniuk. A kutatók azonban az ábécé helyett egy komplex, a jól ismert „közönséges” gyémánt szerkezetén alapuló változatosságot fedtek fel.

A szén az egyik legsokoldalúbb elem, még tiszta állapotában is számos szerkezeti típusa létezik. A közismert gyémánt, grafit és C60 (buckyball vagy fullerén) mellett az elmúlt évtizedekben kutatók tucatnyi új módosulatot írtak le. Különös érdeklődés övezi az úgynevezett gyémánt polimorfokat, a „gyémánt ABC” tagjait, amelyek nevei az ábécé betűi és a gyémánt, illetve szén szavakból állnak (például a közönséges köbös gyémántot c-gyémántnak hívják).

A nanoméretű polimorfok a közönséges gyémánthoz annyiban hasonlítanak, hogy minden szénatomnak négy szénszomszédja van, azonban szénatomjaik háromdimenziós elrendeződése eltér a c-gyémántétól. Feltételezések szerint ezek a szerkezetek érdekes – számos esetben kivételes –, a közönséges gyémánttól különböző tulajdonságokat eredményeznek.

1. kép: Egy nanogyémánt szemcse a Murchison-meteoritból. A szemcse ikerdoménekből áll, amely doméneket iker (tükör) sík választ el egymástól (a síkot fehér pontozott vonallal jelöli). Bár az egyes ikerdomének szimmetriája a jól ismert köbös gyémántéval azonos, a szemcse az ikresedés eredményeként egy egészen új (ötös) szimmetriával bővül
1. kép: Egy nanogyémánt szemcse a Murchison-meteoritból. A szemcse ikerdoménekből áll, amely doméneket iker (tükör) sík választ el egymástól (a síkot fehér pontozott vonallal jelöli). Bár az egyes ikerdomének szimmetriája a jól ismert köbös gyémántéval azonos, a szemcse az ikresedés eredményeként egy egészen új (ötös) szimmetriával bővül

 

Problémás azonosítás

Habár a polimorfoknak tulajdonított jellemzők számos kérdést vetnek fel, a polimorfok aszteroida-becsapódások jelzőjeként való alkalmazása a leginkább vitatott. Különösen figyelemfelkeltő, hogy egy manapság divatos elmélet szerint a pleisztocén végi (mintegy 13 ezer évvel ezelőtti) globális lehűlést, illetve a kor nagytestű állatainak (például a mamutok) tömeges kihalását egy katasztrofális hatású aszteroida- vagy üstökösbecsapódás okozta. Az elmélet szerint a nanogyémánt polimorfok - közvetett módon – e becsapódás bizonyítékai lennének.

Anyag- és földtudományi jelentőségük ellenére a polimorfok azonosítása komoly problémákat vet fel: önálló fázisként nem ismertek, továbbá szerkezetük és jellemzőik ellentmondásosak. A nanoméret miatt a polimorfok vizsgálatához a kutatók rendszerint transzmissziós elektronmikroszkópot használnak, azonban a polimorfoknak tulajdonított jellemzők nem diagnosztikusak, ugyanis megegyeznek a mintákban előforduló más anyagokéval.

A nanogyémánt polimorfok jelentősége és a témát övező ellentmondások arra sarkallták Németh Pétert, az MTA TTK Anyag- és Környezetkémiai Intézet tudományos főmunkatársát, valamint az amerikai Arizonai Állami Egyetem két kutatóját, Laurence Garvie-t és Peter Busecket, hogy tanulmányozzák a polimorfok kérdését. Kiválasztottak számos természetes és mesterséges nanogyémánt-mintát és megvizsgálták a szerkezetüket az Arizonai Állami Egyetem szilárdtestfizikai központjában található ultranagy felbontású elektronmikroszkóppal. A projektet többek között az MTA Bolyai János kutatási ösztöndíja támogatta.

A kutatók arra a megállapításra jutottak, hogy a különálló nanogyémántokat valójában ikrek alkotják (1-es kép), továbbá arra, hogy az egyedi ikerdoménekben rendszerint csak néhány ezer szénatom van. Az irodalmi adatok gyémánt polimorfjait, a nanogyémántok ábécéjét nem találták. Viszont elemzésük rámutatott, hogy a szubnanométeres méretű c-gyémánt ikrek megmagyarázzák a polimorfoknak tulajdonított jellemzőket. Az eredményről beszámoló tanulmányuk a Nature-csoporthoz tartozó Scientific Reports folyóiratban jelent meg. A tanulmány felhívja a figyelmet, hogy szükségszerű felülvizsgálni a polimorfoknak tulajdonított kivételes tulajdonságok meglétét, illetve a polimorfok becsapódások jelzőjeként való alkalmazását.

2. kép: Nanogyémánt szemcse több, hosszirányban elhelyezkedő ikerdoménnel
2. kép: Nanogyémánt szemcse több, hosszirányban elhelyezkedő ikerdoménnel

 

Szimmetria szerint összenőtt kristályok

„Az ikrek ugyanannak a kristályos anyagnak szimmetria szerint összenőtt doménjei. Egy mindenki számára ismerős példával tudnám ezt bemutatni: gondoljunk arra, hogyan helyezkednek el a csúcsos tetőn a cserepek. A cserepek az egész tetőfelületet lefedik, viszont az ellentétes oldalakon lévő darabok iránya ellentétes. Vagyis - habár mindegyik cserép egyforma – az egyes oldalakon való elrendezésük szimmetriakapcsolatban áll. A nanogyémántok nagyfelbontású elektronmikroszkópos vizsgálata ehhez hasonló kapcsolatra utal, ezt látjuk az első képen. A kristályokat ikrek alkotják, és minden egyes ikerdomén ugyanabból a c-gyémánt szerkezetből áll. Ezeknek a doméneknek szimmetria szerint összenőtt kristályai a nanogyémántok” – magyarázta Németh Péter.

Az új adatok arra utalnak, hogy a nanogyémánt ikrek széles körben jelen vannak, és meglepően sokoldalú szerkezeti komplexitást eredményeznek. A nanogyémántok atomi szintű vizsgálata során a kristályok szerkezete egyszerre bizonyult egyszerűbbnek és komplexebbnek a vártnál. Egyszerűbbnek azért, mivel a kristályoknak közönséges gyémánt szerkezetük van, ugyanakkor komplexebbnek, mivel a nanogyémántokat ezek az infinitezimálisan kicsi gyémántok különböző szimmetriájú összenövései (ikrei) alkotják. A gyémántikrek ilyen nagy sűrűsége szignifikánsan befolyásolhatja a nanogyémántok mechanikai, elektronikai és optikai tulajdonságait, vagyis a felhasználásukat.