Un team di scienziati di due università in Cina ha sintetizzato in laboratorio un materiale più duro del diamante. Quando il carbonio è sottoposto a calore e pressione estremi all’interno della Terra, può cristallizzarsi formando diamanti, il minerale naturale più duro (anche se non necessariamente il più resistente) del pianeta. Nel diamante, ogni atomo di carbonio è legato ad altri quattro atomi di carbonio in una disposizione tetraedrica. Ma nelle giuste circostanze, il carbonio può disporsi in modo esagonale, formando un materiale più resistente noto come lonsdaleite. Conosciamo l’esistenza della lonsdaleite grazie a un impatto meteoritico che l’ha formata. Nel 1891, esaminando un meteorite nel Canyon Diablo, in Arizona, gli scienziati hanno riportato di aver trovato “particelle dure” al suo interno. Successivamente, nel 1939, queste particelle dure sono state confermate come una miscela di diamanti, grafite e una nuova sostanza mai vista prima, ora chiamata lonsdaleite in onore della cristallografa Professor Dame Kathleen Lonsdale.
Inizialmente, gli scienziati si aspettavano che il materiale insolito fosse un diamante con una struttura esagonale, piuttosto che i classici diamanti cubici a cui siamo abituati. Studiando campioni del meteorite nel 2022, tuttavia, un team ha scoperto che erano composti da diamanti esagonali e cubici nanostrutturati con crescite simili al grafene tra di loro. Il campione era tecnicamente un diaphite, dove due minerali crescono contemporaneamente, risultando in una struttura cristallina meno ordinata piena di “errori” di impilamento. “Le prove suggeriscono che questi ‘diamanti’ si siano formati per compressione da shock della grafite iniziale,” ha scritto il team nel loro articolo. “È stato notato dalla spettroscopia Raman che alcune aree all’interno di alcuni grani presentavano il caratteristico picco acuto del diamante cubico cristallino, indicando che queste avevano raggiunto una temperatura sufficientemente alta durante l’evento di shock per completare la trasformazione termodinamica.”
Oltre ad essere piuttosto sorprendente che i meteoriti possano impattare con tanta forza da creare diamanti esagonali, ciò ha sollevato la prospettiva che gli scienziati possano essere in grado di sintetizzarli. “Con potenzialmente superiori proprietà meccaniche e una struttura intrigante, la lonsdaleite ha anche ricevuto un intenso interesse di ricerca nella scienza dei materiali,” spiega il nuovo team nel loro articolo. “I calcoli teorici suggeriscono che il diamante esagonale (HD) possa persino superare il diamante cubico (CD), il materiale più duro e meno comprimibile conosciuto in natura oggi.”
Utilizzando tecniche di compressione da shock mirate a imitare la produzione naturale di questi “super diamanti”, i ricercatori sono stati in grado di produrli in passato. Tuttavia, nel processo, finivano con molta grafite e diamanti. Nel nuovo lavoro, il team ha utilizzato pressione e temperatura per fabbricare la lonsdaleite, ottimizzando le condizioni per la produzione. “I calcoli teorici suggeriscono che l’energia totale del CD sia un po’ più bassa di quella dell’HD, e che, partendo dal precursore grafitico, la barriera energetica della transizione diretta da grafite a CD sia leggermente più bassa di quella per la trasformazione da grafite a HD, e quindi il CD è stato di solito il prodotto dominante,” spiega il team nel loro studio. “Per superare tali fattori sfavorevoli per la crescita dell’HD, abbiamo sintetizzato l’HD dalla grafite tramite fasi post-grafitiche intermedie in cui il legame interstrato può bloccare un impilamento quasi-AB nella grafite compressa e ostacolare l’ulteriore scorrimento degli strati durante la stimolazione ad alta temperatura, favorendo la formazione dell’HD. Sia i nostri esperimenti che le simulazioni indicano che, oltre alla formazione della fase post-grafitica, la presenza di un gradiente di temperatura è anche critica per la sintesi dell’HD.”
Oltre a potenzialmente aprire la strada a nuovi superconduttori e a essere in grado di resistere a circa il 58% di stress in più rispetto ai diamanti, la produzione del materiale in laboratorio potrebbe dirci di più sulla formazione della lonsdaleite naturale. “Ad esempio, la lonsdaleite naturale è scarsamente trovata sulla Terra perché l’interno planetario può raramente fornire condizioni adatte,” conclude il team. “Più importante, l’eccellente stabilità termica e l’ultra-alta durezza dell’HD suggeriscono il suo grande potenziale per applicazioni industriali, offrendo opportunità per questo straordinario materiale.” Lo studio è pubblicato su Nature Materials.