Era Baharu Bahan Superkeras
Penyelidik China telah mencapai sesuatu yang diusahakan oleh saintis di seluruh dunia selama lebih enam dekad: menghasilkan berlian heksagon tulen dalam bentuk pukal. Penemuan yang diterbitkan dalam jurnal Nature ini menandakan kali pertama saintis mensintesis sampel berukuran milimeter bagi alotrop karbon yang jarang ditemui ini, iaitu bahan yang secara teori lebih keras daripada berlian kubik konvensional yang selama beberapa generasi menduduki tahap tertinggi dalam skala kekerasan Mohs.
Kandungan
Pasukan penyelidik yang terdiri daripada ahli fizik dari Universiti Zhengzhou, Universiti Jilin dan Pusat Penyelidikan Lanjutan Sains dan Teknologi Tekanan Tinggi telah menamatkan kontroversi saintifik yang berlarutan tentang sama ada berlian heksagon wujud sebagai bahan yang tersendiri. Kajian mereka mengesahkan bahawa lonsdaleit, yang pertama kali ditemui dalam meteorit di Arizona pada 1967, bukan sekadar berlian kubik yang cacat, tetapi fasa karbon tulen dengan sifat unik yang berpotensi merevolusikan pembuatan industri, kejuruteraan aeroangkasa dan teknologi penderiaan kuantum.
Tidak seperti berlian semula jadi yang terbentuk jauh di dalam mantel Bumi dengan susunan atom kubik, berlian heksagon menyusun atom karbon dalam struktur kekisi seakan-akan sarang lebah. Konfigurasi ini menghasilkan ikatan yang lebih pendek dan kuat antara lapisan, sekali gus berpotensi menawarkan kekerasan dan kestabilan haba yang lebih tinggi berbanding berlian tradisional yang digunakan dalam alat pemotong, peralatan penggerudian dan elektronik berprestasi tinggi.
Sintesis ini lebih daripada sekadar keingintahuan makmal. Selama beberapa dekad, kegagalan menghasilkan berlian heksagon tulen dalam kuantiti yang mencukupi untuk diuji menyebabkan sifat teorinya kekal sebagai teori semata-mata. Percubaan terdahulu hanya menghasilkan kristal berskala nano yang bertahan selama beberapa nanosaat, atau campuran yang tercemar dengan grafit dan berlian kubik sehingga pencirian muktamad tidak dapat dilakukan. Dengan menghasilkan kristal berdiameter antara 100 mikrometer hingga 1.8 milimeter, pasukan China membuka peluang pertama untuk menjalankan ujian mekanikal menyeluruh terhadap bahan yang sukar diperoleh ini.
Kontroversi Saintifik Selama Enam Dekad
Kisah berlian heksagon bermula pada 1962 apabila penyelidik di Pusat Penyelidikan Arang Batu Pittsburgh mula-mula mengemukakan bahawa atom karbon boleh tersusun dalam kekisi heksagon dan bukannya struktur kubik yang lazim. Variasi teori ini menjanjikan kekerasan lebih tinggi kerana konfigurasi ikatannya yang unik, namun kewujudannya hanya dapat dibuktikan lima tahun kemudian melalui penemuan dari angkasa lepas.
Pada 1967, ahli geologi yang mengkaji serpihan meteorit Canyon Diablo dari Kawah Barringer di Arizona mengumumkan penemuan mineral baharu. Dinamakan lonsdaleit sebagai penghormatan kepada Dame Kathleen Lonsdale, ahli kristalografi perintis yang menentukan struktur benzena, berlian heksagon ini dipercayai terbentuk akibat haba dan tekanan melampau yang terhasil apabila meteorit itu menghentam Bumi kira-kira 50,000 tahun lalu. Kesan serupa kemudian ditemui dalam meteorit Goalpara di Assam, India.
Namun, sambutan itu terlalu awal. Pengkritik berhujah bahawa sampel tersebut bukan berlian heksagon sebenar, sebaliknya berlian kubik yang mempunyai kecacatan susunan lapisan atau kecacatan tidak teratur yang hanya menyerupai simetri heksagon. Pada 2021, penyelidik menerbitkan kajian yang mencadangkan semua sampel lonsdaleit yang dikenal pasti sebelum itu sebenarnya ialah varian berlian kubik yang tersalah dikenal pasti. Keraguan ini berterusan kerana tiada makmal pernah menghasilkan berlian heksagon tulen dalam kuantiti yang mencukupi untuk menyelesaikan perdebatan itu secara muktamad.
Merekayasa Penemuan
Kejayaan pasukan China bergantung pada pembangunan teknik tekanan tinggi dan suhu tinggi yang baharu bagi menangani ketidakstabilan termodinamik berlian heksagon. Walaupun berlian kubik kekal sebagai bentuk karbon berikatan sp3 yang paling stabil pada tekanan sehingga 2 terapaskal, penyelidik menyedari bahawa pembentukan berlian heksagon perlu dikawal secara kinetik melalui manipulasi teliti morfologi bahan pendahulu dan keadaan sintesis.
Dengan menggunakan grafit pirolitik berorientasi tinggi, bahan karbon sintetik dengan lapisan atom yang tersusun rapi, penyelidik membangunkan susunan unik yang menggabungkan alat tekan omboh-silinder yang menggunakan aluminium oksida tumpat berkekuatan tinggi dengan alat tekan berbilang andas. Konfigurasi ini membolehkan mereka memampatkan grafit terutamanya sepanjang paksi z, iaitu berserenjang dengan helaian karbon, dan bukannya dari sisi.
Sampel dimampatkan pada tekanan 20 gigapaskal, kira-kira 200,000 kali tekanan atmosfera Bumi pada aras laut, selama sepuluh jam. Suhu pula antara 2,300 hingga 3,450 darjah Fahrenheit (1,300 hingga 1,900 darjah Celsius). Pemantauan masa nyata menggunakan pembelauan sinar-X in-situ membolehkan saintis memerhatikan proses penukaran mikroskopik itu dan mengesahkan transformasi martensit, iaitu proses grafit heksagon berubah menjadi berlian heksagon melalui gelinciran antara lapisan dan pembentukan ikatan langsung antara helaian grafit.
Mengukur Prestasi Lebih Unggul
Dengan tersedianya sampel bersaiz milimeter, pasukan penyelidik dapat menjalankan ujian mekanikal yang muktamad. Menggunakan ujian kekerasan Vickers dan kaedah pengujian lain, mereka mengukur ketahanan bahan terhadap calar dan ubah bentuk. Hasilnya menunjukkan berlian heksagon mencapai nilai kekerasan antara 114 hingga 165 gigapaskal, berbanding kira-kira 110 gigapaskal bagi berlian kubik semula jadi. Ini merupakan peningkatan kekerasan yang ketara, walaupun sedikit di bawah peningkatan 50 peratus yang dijangkakan dalam ramalan awal.
Selain kekerasan, bahan ini menunjukkan kestabilan haba yang luar biasa dan tahan terhadap pengoksidaan pada suhu sehingga 1,100 darjah Celsius. Sifat ini mengatasi keterbatasan utama berlian kubik, yang boleh mengalami kecacatan permukaan apabila terdedah kepada oksigen pada suhu tinggi semasa operasi penggerudian atau pemotongan industri. Kekukuhan struktur dan ketahanan terhadap pengoksidaan berlian heksagon mencadangkan potensinya untuk digunakan dalam persekitaran ekstrem yang tidak mampu ditangani berlian tradisional.
Pencirian struktur menggunakan mikroskop elektron penghantaran resolusi tinggi mengesahkan susunan AB bagi lapisan sarang lebah berlipat yang menjadi petunjuk berlian heksagon. Analisis spektroskopi mendapati semua ikatan ialah ikatan sigma sp3, tanpa ikatan pi sp2 yang menandakan pencemaran grafit yang masih berbaki. Yang penting, satu ikatan antara lapisan didapati lebih pendek daripada tiga ikatan yang lain, sekali gus menjelaskan kekuatan struktur yang lebih tinggi berbanding berlian kubik.
Aplikasi Industri dan Saintifik
Penghasilan berlian heksagon pukal membuka laluan kepada aplikasi yang sebelum ini terhad oleh had prestasi berlian kubik. Chong-Xin Shan, penulis bersama utama kajian itu dan ahli fizik di Universiti Zhengzhou, mengenal pasti beberapa bidang yang berpotensi.
Bahan ini berpotensi digunakan dalam banyak bidang, contohnya dalam alat pemotong, bahan pengurusan haba dan penderiaan kuantum,
kata Shan kepada Nature.
Sektor aeroangkasa dan pertahanan dijangka mendapat manfaat khususnya. Kekerasan dan kestabilan haba berlian heksagon yang lebih tinggi menjadikannya sesuai untuk aplikasi pemesinan dan penggerudian yang memerlukan ketepatan serta ketahanan melampau. Tidak seperti berlian semula jadi yang terhad oleh kekangan perlombongan dan kebimbangan etika, berlian heksagon buatan makmal boleh menjadi alternatif mampan dengan ciri prestasi yang lebih baik.
Dari sudut geologi, sintesis ini memberikan pemahaman penting tentang proses hentaman meteorit. Memahami cara berlian heksagon terbentuk dalam keadaan tekanan dan suhu melampau membantu saintis mengenal pasti peristiwa hentaman serta membina semula sejarah pembentukan planet dalam sistem suria kita. Kehadiran lonsdaleit dalam meteorit seperti Canyon Diablo kini dapat dijelaskan sebagai hasil keadaan metamorfisme kejutan tertentu yang berjaya ditiru oleh pasukan China.
Pengiktirafan Saintifik Antarabangsa
Kajian ini mendapat perhatian besar daripada komuniti saintifik antarabangsa. Oliver Tschauner, ahli kristalografi di Universiti Nevada, Las Vegas yang menyemak kajian itu untuk Nature, memberikan pengesahan kukuh terhadap penemuan tersebut.
Terdapat beratus-ratus dakwaan daripada mereka yang percaya bahawa mereka pernah melihatnya, tetapi ini ialah pencirian yang sangat tepat dan pertama bagi bahan yang sukar diperoleh ini,
kata Tschauner.
Eiichi Nakamura, ahli kimia tak organik di Universiti Tokyo yang pernah mengkaji alotrop karbon, menekankan kepentingan kaedah yang digunakan.
Kaedah dua langkah baharu ini memberikan bukti muktamad pertama bahawa berlian heksagon ialah bahan pukal tersendiri yang boleh diperoleh semula,
kata Nakamura.
Ho-kwang Mao, pakar sains tekanan tinggi dan anggota asing Akademi Sains China, menyatakan implikasi lebih luas terhadap sains bahan.
Berlian heksagon sintetik ini dijangka membuka laluan baharu untuk pembangunan bahan superkeras dan peranti elektronik canggih,
kata Mao kepada South China Morning Post.
Di sebalik keterujaan itu, penyelidik mengakui masih terdapat cabaran sebelum pengkomersialan dapat dilakukan. Peralatan tekanan tinggi khusus yang diperlukan untuk sintesis mengehadkan kapasiti pengeluaran semasa. Oleh itu, aplikasi awal berkemungkinan tertumpu pada pasaran khusus bernilai tinggi seperti instrumen saintifik berketepatan tinggi dan alat pemotong industri khusus, bukannya barang kemas untuk pasaran massa.
Intinya
- Saintis China telah mensintesis berlian heksagon tulen (lonsdaleit) bersaiz milimeter buat kali pertama, sekali gus menamatkan kontroversi saintifik selama 60 tahun tentang kewujudannya sebagai bahan tersendiri.
- Bahan ini mencatat nilai kekerasan antara 114 hingga 165 gigapaskal, melebihi kira-kira 110 gigapaskal bagi berlian kubik semula jadi, selain mempunyai kestabilan haba lebih tinggi sehingga 1,100 darjah Celsius.
- Penyelidik memampatkan grafit pirolitik berorientasi tinggi pada tekanan 20 gigapaskal (200,000 kali tekanan atmosfera) dan suhu 1,300 hingga 1,900 darjah Celsius selama 10 jam untuk menghasilkan transformasi tersebut.
- Aplikasi yang berpotensi termasuk alat pemotong canggih, sistem pengurusan haba untuk elektronik, peranti penderiaan kuantum dan komponen aeroangkasa yang memerlukan ketahanan melampau.
- Penemuan ini menyelesaikan keraguan lama tentang sama ada berlian heksagon wujud sebagai fasa karbon tersendiri atau sekadar struktur berlian kubik yang cacat.
