Лонсдейлит

Элементарная ячейка лонсдейлита

Лонсдейлит, гексагональный алмаз — полиморфная модификация углерода с гексагональной решёткой P6₃/mmc.

Назван в честь британского кристаллографа Кэтлин Лонсдейл (Kathleen Lonsdale).

История

Первоначальная характеристика лонсдейлита была предложена американским учёным Bundy F.P.: полиморфная модификация углерода типа вюрцита под названием гексагональный алмаз, это первоначальное название лонсдейлита закрепилось за ним до сих пор. Иногда лонсдейлит называют одной из аллотропных модификаций углерода с гексагональной кристаллической решёткой. Впрочем, далеко не все учёные согласны с таким определением, полагая, что неверно считать лонсдейлит самостоятельной аллотропной модификацией. Кристаллическая решётка лонсдейлита полностью состоит из атомов углерода. Как и у алмаза, атомы углерода в лонсдейлите находятся в состоянии sp³ гибридизации.

Годом открытия лонсдейлита считается 1967 — в этом году он был официально признан IMA (International Mineralogy Association), хотя вюрцитоподобная полиморфная модификация углерода была синтезирована ещё в 1963 (Wentorp R.H., Kasper J.S.). В лабораторных условиях (General Electric Company) лонсдейлит был получен в 1966 году. Примерно тогда же лонсдейлит впервые обнаружили в метеоритных кратерах, о чём было объявлено на ежегодном 29-ом съезде Метеоритного Общества (the Meteoritical Society) в Вашингтоне.

В течение длительного времени лонсдейлит синтезировали искусственно только из графита — под воздействием колоссального давления. Позже было доказано, что лонсдейлит также может быть получен из «традиционного» кубического алмаза.

Строение и свойства

Укладка слоёв лонсдейлита

Алмаз и лонсдейлит имеют одинаковые валентные углы, которые равны 109°28’16’’, длины связей у них равны 0,1545 нм, а координационное число — 4. Элементарная ячейка алмаза содержит восемь атомов углерода, а лонсдейлита — четыре. Решётки алмаза и лонсдейлита отличаются способом упаковки. Для лонсдейлита характерна двухслойная упаковка типа (…ABAB…), где каждый последующий тетраэдрический слой повёрнут на 60° по отношению к предыдущему. Для алмаза — трёхслойная типа (…ABCABC…), где все слои построены из одинаковых координационных тетраэдров. Алмаз в этом плане схож с α-графитом, только алмазная плоскость «гофрированная».

Параметры решётки лонсдейлита а=0,251 нм и b=0,417 нм.

Расчётная плотность лонсдейлита 3,51 г/см³, измеренная плотность 3,2 г/см³.

Твёрдость составляет 7-8 единиц по Шкале Мооса.

Лонсдейлит относится к химическому классу металлоидов; химическая формула — С.

Укладка слоёв алмаза

Цвет: коричневато-жёлтый. Блеск: алмазный.

Оптические свойства лонсдейлита: прозрачный, индекс преломления (рефракция) n от 2,40 до 2,41.

Обычные размеры лонсдейлита — это кристаллы, видимые только под микроскопом.

Возможность практического применения гексагонального алмаза вызывает сомнения из-за сложности его получения.

Мифы о лонсдейлите

Группа китайских учёных (Pan, Zicheng; Sun, Hong; Zhang, Yi; and Chen, Changfeng) в 2009 году (видимо, для привлечения внимания) сделала ложное заявление о том, что согласно проделанным ими теоретическим исследованиям, в случае отсутствия примесей лонсдейлит был бы на 58 процентов твёрже алмаза.

Заявленное не соответствует действительности.

Даже из результатов этой самой теоретической работы вытекает, что лонсдейлит мягче алмаза.

Вообще говоря, согласно современным теоретическим и практическим научным данным, не существует и не может существовать минералов или соединений тверже алмаза. Любые соединения на основе фуллеренов — фуллериты; лонсдейлит; любые соединения бора, в частности: давно активно используемый в промышленности кубический нитрид бора (он же кубонит, боразон, эльбор, кингсонгит, киборит), плотный гексагональный (вюрцитоподобный) нитрид бора, карбид бора, субоксид бора, нитрид углерода-бора; карбин и прочие, в том числе на практике еще не полученные, уступают алмазу по твердости. Однако, многие из материалов повышенной твердости имеют гораздо большую область применения ввиду того, что, несколько уступая в твердости, превосходят алмаз по термоустойчивости, прочности и устойчивости к окислению. Также, например, важным преимуществом нитридов бора является их высокая химическая стойкость. Они не реагируют с кислотами и щелочами, инертны практически ко всем химическим элементам, входящим в состав сталей и сплавов. Особенно следует отметить инертность нитридов бора к железу, являющемуся основой всех сталей, тогда как алмаз хорошо растворяется в железе, что является причиной интенсивного износа алмазных кругов при шлифовании.

Минералов или соединений тверже алмаза нет, но существуют материалы на основе минерала алмаз, которые иногда значительно превосходят по твердости классический алмаз.

Один из способов улучшения механических характеристик веществ состоит в их наноструктурировании. В частности, повысить твердость, например, алмаза можно, создавая на его основе нанокомпозиты или нанополикристаллы. При этом твердость иногда удается повысить даже вдвое. Японские производители уже сейчас выпускают сравнительно большие, порядка кубического сантиметра, нанополикристаллы алмаза (самый крупный из существующих кристалл лонсдейлита, к примеру, можно разглядеть только в микроскоп). Однако при использовании данного материала возникает ряд проблем, основная из которых состоит в его исключительной твердости, вследствие чего он практически не поддается шлифовке.

Однако в марте 2021 года в журнале Physical Review B была опубликована статья американских физиков Трэвиса Вольца и Иогендра Гупта "Elastic moduli of hexagonal diamond and cubic diamond formed under shock compression" о результатах исследования гексагональных алмазов, полученных методом ударного сжатия. Для этого исследования Вольц и Гупта с помощью микровзрывов сдвигали небольшие графитовые диски, получая таким образом гексагональные алмазы. После чего через них пропускали звуковую волну и использовали лазеры для измерения скорости её движения через алмаз. Измерения показали, что через гексагональный алмаз звук проходит быстрее. Основываясь на том, что звук движется быстрее через более твердый материал, ученые сделали вывод, что новый искусственный материал тверже, чем "классический" кубический минерал.

См. также

• Изомерия