Keihard én buigzaam: diamant met uitzonderlijk complexe structuur gevormd tijdens meteorietinslag

Het is mogelijk harder dan diamant en nog kneedbaar ook: lonsdaleïet. Dit sterk aan diamant verwante materiaal ontstaat door de hoge druk en temperatuur die het gevolg zijn van een meteorietinslag. Het kan worden gebruikt voor allerlei technologische toepassingen.

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van University College London en Hongaarse wetenschappers onderwierp lonsdaleïet aan nader onderzoek en heeft ontdekt dat het unieke eigenschappen heeft, die zijn ontstaan tijdens een hoogenergetische schokgolf van een meteorietinslag ongeveer 50.000 jaar geleden. De kortdurende hoge temperaturen en extreme druk vormden het materiaal.

Geschikt voor elektronica
De onderzoekers, wier studie in Proceedings of the National Academy of Sciences verscheen, stellen dat het gebruikt kan worden voor machines en elektronica. Het is niet alleen ultrahard maar ook kneedbaar en aan te passen aan de apparaten waar het voor nodig is.

De wetenschappers uit onder meer Hongarije, Italië en de VS deden een kristallografische en spectroscopische analyse van het mineraal lonsdaleïet dat aangetroffen werd in de Canyon Diablo-meteoriet die in 1891 in de woestijn van Arizona werd ontdekt. Lonsdaleïet is vernoemd naar een pionier op het gebied van kristallografie en bovendien de eerste vrouwelijke professor aan UCL, Dame Kathleen Lonsdale.

Variant van diamant
Lang werd gedacht dat het materiaal uit puur hexagonaal diamant bestond, anders dan de bekende kubusvormige diamant. Maar de onderzoekers hebben nu ontdekt dat lonsdaleïet eigenlijk bestaat uit een nanostructuur van diamant en grafeen-achtige vergroeiingen (waarbij twee mineralen in een kristal aan elkaar groeien), die diafieten worden genoemd. Het team vond ook stapelfouten in de volgordes van de zich herhalende patronen van de lagen atomen.

“Doordat we nu de verschillende vergroeiingen kennen van grafeen en de diamantstructuren komen we meer te weten over de temperatuur en druk tijdens de inslag van asteroïden”, aldus onderzoeksleider dr. Péter Németh van het Institute for Geological and Geochemical Research (RCAES).

Ongebruikelijk en uniek
Het onderzoeksteam ontdekte dat de afstand tussen de grafeenlagen ongebruikelijk is door de unieke laag van koolstofatomen die tussen het diamant en het grafeen ontstaat. Ze laten ook zien dat de diafietstructuur verantwoordelijk is voor een eerder onverklaarbaar spectroscopisch kenmerk. “Dit is erg interessant, omdat we nu diafietstructuren in diamant kunnen detecteren met een simpele spectroscopische techniek en geen dure, bewerkelijke elektronenmicroscopie meer hoeven toe te passen”, legt onderzoeker professor Chris Howard van UCL uit.

Ontdekking opent deuren
De complexe structuur die gevonden is in het lonsdaleïet kan ook voorkomen in een groot aantal andere koolstofhoudende materialen die door een schok onder grote druk tot stand komen. “Door de gelaagde groei van de structuren moet het mogelijk zijn om materialen te ontwerpen die zowel ultrahard als buigzaam zijn en bovendien aanpasbare elektronische eigenschappen hebben, van een geleider tot een isolator”, zegt professor Christoph Salzmann van UCL. “Deze ontdekking heeft daarom deuren geopend voor nieuwe koolstofmaterialen met geweldige mechanische en elektronische eigenschappen die kunnen leiden tot nieuwe toepassingen, variërend van schuurmiddelen en elektronica tot nanogeneeskunde en lasertechnologie.”

Dit onderzoek heeft niet alleen de bijzondere eigenschappen in kaart gebracht van de koolstofstructuren, maar de wetenschappers stellen ook de huidige simplistische kijk op het mineraal lonsdaleïet ter discussie.