A különleges szimmetriájú szén nanokristályok vizsgálatával a nanogyémántok valódi szerkezetére és új alkalmazási lehetőségeire világított rá egy magyar kutató által vezetett nemzetközi kutatócsoport. Vizsgálataik szerint a nanogyémántszemcsék egy jelentős része valójában nem is gyémánt, hanem diafit, amelynek kiváló mechanikai és elektromos tulajdonságai vannak.
A nemzetközi kutatást Németh Péter, az ELKH Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont (CSFK) Földtani és Geokémiai Intézetének kutatója vezette. A kutatók tanulmánya a Diamond and Related Materials című szakfolyóiratban jelent meg – közölte az Eötvös Loránd Kutatási Hálózat (ELKH) pénteken.
A nanogyémántok végtelenül kicsi, az emberi hajszálnál mintegy tíz-húszezerszer kisebb kristályok, amelyek jelentőségük miatt több tudományterület fókuszában állnak. Megtalálhatók meteoritokban, fiatal csillagok környezetében, a csillagközi porban (üstökösök), valamint bizonyos – aszteroidabecsapódáshoz köthető – üledékes rétegekben is.
A nanogyémántok egyedi fizikai és mechanikai tulajdonságaiknak köszönhetően az anyagtudományi kutatásoknak is a középpontjában állnak, mivel alkalmasak kemény és ellenálló bevonatok, csiszolóporok, motorolaj-adalékok, valamint kivételes tulajdonságú polimer- és fémkompozitok készítésére. Emellett a nanoanyagok ígéretesek mint gyógyszerhordozók, ezért orvosi kezelésekben is felhasználhatók, különös tekintettel a rákgyógyászatra.
A nanogyémántok szerkezeti sajátosságait ugyanakkor számos kérdés övezi. Annak ellenére, hogy az általánosan elfogadott nézet szerint szerkezetük gyémántból – kovalens kötésű szénatomok háromdimenziós elrendeződéséből – áll, elektronmikroszkópi, diffrakciós és spektroszkópi jellemzőik jelentősen eltérnek a jól ismert gyémántétól.
Németh Péter, a CSFK kutatója és munkatársainak legújabb vizsgálati eredménye szerint a nanogyémánt szemcsék egy jelentős része valójában nem is gyémánt, hanem nanoméretű gyémánt és grafit szerkezeti elemek kristálytani összenövéséből álló úgynevezett diafit.
Ezt az új, a gyémánttal rokon anyagcsaládot a kutatócsoport korábbi kutatásai során aszteroidabecsapódáshoz köthető és mesterséges lökéshullámmal előállított tömbi mintákban már azonosította. Ezúttal a kutatók az Orgueil és a Murchison meteoritokból és egy mesterségesen – kémiai gőzfázisú leválasztással – előállított mintából származó nanogyémántot vizsgáltak a legkorszerűbb elektronmikroszkópokkal, röntgendiffrakcióval és mikroRaman-spektroszkópiával. Az eredményeket energiaszámításokkal modellezték.
A kutatók olyan nanoméretű szénszemcséket találtak, amelyek különleges hatos és tizenkettes szimmetriáját a gyémánt szerkezetével nem lehetett magyarázni. Megállapították, hogy a különleges szimmetria megjelenése a diafitszerkezetnek köszönhető. A szerkezeti modellezés rámutatott arra is, hogy a hatos és tizenkettes szimmetria csak a szemcsék bizonyos vetületeiben jelenik meg elektronmikroszkópi felvételeken, a nanogyémántok általános orientációiban a különleges szimmetria rejtve marad, ezért a diafitszerkezet felismerése komoly kihívást jelent. Ez a megfigyelés megmagyarázhatja, hogy a korábbi kutatások miért hagyhatták figyelmen kívül a nanoméretű diafitdoméneket.
A kutatócsoport energiaszámításokkal meghatározta a diafitok spektroszkópi sajátosságait, és azt találta, hogy azok nagyon jól egyeznek a kísérleti eredményekkel. Arra a következtetésre jutottak, hogy a nanogyémántoknál megfigyelt – a gyémántszerkezettel nem összeegyeztethető – különleges spektroszkópi sajátosságok a diafitszerkezetben lévő különböző kötésű szénatomoktól származnak.
A tanulmány nemcsak az eddigi ellentmondásos mikroszkópi és spektroszkópi megfigyelésekre talál meggyőző magyarázatot, hanem rávilágít a diafitszerkezetben rejlő alkalmazási lehetőségekre is. A kutatók felhívják a figyelmet arra, hogy a különböző kötésállapotú szénatomoknak köszönhetően a diafitoknak kiváló mechanikai és elektromos tulajdonságaik vannak. A kísérleti paraméterek változtatása, illetve a gyémántrétegek meghatározott területeinek lézeres kezelése lehetőséget biztosíthat diafitszerkezetek tudatos kialakítására, ezáltal a szigetelőtől a vezetőig hangolható elektromos tulajdonságú nanoanyagok kifejlesztésére.
