luonnossa timantteja muodostuu syvälle maahan miljardien vuosien aikana. Tämä prosessi vaatii ympäristöjä, joissa on poikkeuksellisen korkea paine ja lämpötila yli 1000℃.

kansainvälinen tiimimme on luonut kaksi erilaista timanttia huoneenlämpöisenä — ja muutamassa minuutissa. Kyseessä on ensimmäinen kerta, kun timantteja on onnistuttu valmistamaan laboratoriossa ilman lisälämpöä.

havaintomme on julkaistu Small-lehdessä.

on olemassa useampi kuin yksi muoto timanttia

hiiliatomit voivat sitoutua toisiinsa useilla tavoilla muodostaen erilaisia materiaaleja, kuten pehmeää mustaa grafiittia ja kovaa läpinäkyvää timanttia.

on monia tunnettuja hiilen muotoja, joissa on grafiitin kaltainen sidos, muun muassa grafeeni, ohuin koskaan mitattu materiaali. Mutta tiesitkö, että on olemassa myös useampaa kuin yhtä hiilipohjaista materiaalia, jossa on timantin kaltainen sidos?

normaalissa timantissa atomit ovat järjestäytyneet kuutiomaiseen kiderakenteeseen. Nämä hiiliatomit on kuitenkin mahdollista järjestää niin, että niillä on heksagonaalinen kiderakenne.

tätä timantin eri muotoa kutsutaan Lonsdaleiitiksi, joka on nimetty irlantilaisen kristallografin ja Royal Societyn jäsenen Kathleen Lonsdalen mukaan, joka tutki hiilen rakennetta röntgensäteiden avulla.

lonsdaleiitti herättää paljon kiinnostusta, sillä sen ennustetaan olevan 58% kovempaa kuin tavallinen timantti — jota pidetään jo maapallon kovimpana luonnossa esiintyvänä materiaalina.

se löydettiin ensimmäisen kerran luonnosta, Canyon Diablon meteoriittikraatterin paikalta Arizonasta. Pieniä määriä ainetta on sittemmin syntetisoitu laboratorioissa kuumentamalla ja puristamalla grafiittia joko korkeapainepuristimella tai räjähteillä.

Tutkimuksemme osoittaa, että sekä Lonsdaleiittia että tavallista timanttia voidaan muodostaa huoneenlämmössä laboratorioympäristössä vain käyttämällä suuria paineita.

Lue lisää: grafiitti: Australian pääomittamiseksi on investoitava muuntamiseen

monia tapoja tehdä timanttia

timantteja on syntetisoitu laboratorioissa jo vuodesta 1954. Sitten General Electricin Tracy Hall loi ne käyttäen prosessia, joka jäljitteli maankuoren luonnollisia olosuhteita ja lisäsi metallisia katalyyttejä nopeuttamaan kasvuprosessia.

tuloksena oli korkeapaineisia, korkean lämpötilan timantteja, jotka olivat samanlaisia kuin luonnossa esiintyvät timantit, mutta usein pienempiä ja vähemmän täydellisiä. Näitä valmistetaan vielä nykyäänkin lähinnä teollisiin sovelluksiin.

toinen merkittävä timanttien valmistustapa on Kemiallis-kaasumainen prosessi, jossa pieni timantti ”siemenenä” kasvattaa suurempia timantteja. Lämpötiloja tarvitaan noin 800℃. Vaikka kasvu on melko hidasta, nämä timantit voidaan kasvattaa suuriksi ja suhteellisen virheettömiksi.

luonto on antanut vihjeitä muista tavoista muodostaa timanttia, muun muassa meteoriittien rajussa törmäyksessä Maahan, sekä prosesseissa, kuten aurinkokuntamme nopeissa asteroiditörmäyksissä-luoden niin sanottuja ”maan ulkopuolisia timantteja”.

tutkijat ovat yrittäneet ymmärtää tarkasti, miten törmäykset eli maan ulkopuoliset timantit muodostuvat. On jonkin verran näyttöä siitä, että korkeiden lämpötilojen ja paineiden lisäksi liukuvoimilla (tunnetaan myös nimellä ”leikkausvoimat”) voisi olla tärkeä rooli niiden muodostumisen käynnistämisessä.

leikkausvoimien iskemä kappale työntyy yhteen suuntaan ylhäällä ja vastakkaiseen suuntaan alhaalla.

esimerkki olisi korttipakan työntäminen vasemmalle ylhäällä ja oikealle alhaalla. Tämä pakottaisi pakan liukumaan ja kortit leviämään. Siksi leikkausvoimia kutsutaan myös ”liukuvoimiksi”.

timanttien valmistaminen huoneenlämmössä

suunnittelimme työtämme varten kokeen, jossa pieni grafiittimaisen hiilen siru joutui sekä äärimmäisiin leikkausvoimiin että korkeisiin paineisiin timantin muodostumisen kannustamiseksi.

toisin kuin useimmissa aiemmissa töissä tällä rintamalla, hiilinäytettä ei puristuksen aikana lämmitetty enempää. Kehittyneen elektronimikroskopian avulla, jota käytettiin erittäin korkean resoluution kuvien ottamiseen, saatiin näyte, jossa oli sekä tavallista timanttia että Lonsdaleiittia.

tässä ennennäkemättömässä asetelmassa ohut ”joki” timanttia (noin 200 kertaa pienempi kuin ihmisen hius) ympäröi Lonsdaleiittien ”meri”.

rakenteen asetelma muistuttaa muissa materiaaleissa havaittua ”shearbandingia”, jossa kapea alue kokee voimakasta, paikallista rasitusta. Tämä viittaa siihen, että leikkausvoimat olivat avainasemassa näiden timanttien muodostumisessa huoneenlämmössä.

kovat mutterit halkaistaviksi

kyky valmistaa timantteja huoneenlämmössä muutamassa minuutissa avaa lukuisia valmistusmahdollisuuksia.

erityisesti ”timanttia kovemman” Lonsdaleiitin tekeminen tällä tavalla on jännittävä uutinen teollisuudelle, jossa tarvitaan äärimmäisen kovia materiaaleja. Timanttia käytetään esimerkiksi poranterien ja terien päällystämiseen pidentämään näiden työkalujen käyttöikää.

seuraava haasteemme on laskea timanttien muodostamiseen vaadittavaa painetta.

tutkimuksessamme alin paine huoneenlämmössä, jossa timanttien havaittiin muodostuneen, oli 80 gigapascalia. Tämä vastaa 640 afrikannorsua yhden balettikengän kärjessä!

Jos sekä timanttia että Lonsdaleiittia voitaisiin valmistaa pienemmissä paineissa, sitä voitaisiin valmistaa enemmän, nopeammin ja halvemmalla.

Lue lisää: kykymme valmistaa mineraaleja voisi muuttaa jalokivimarkkinoita, lääketeollisuutta ja jopa auttaa imemään hiiltä ilmasta