Как сверхтвердая форма алмаза оказалась внутри редких метеоритов: загадка лонсдейлита
В отличие от традиционных алмазов, которые образуются, когда графит медленно сжимается давлением глубоко внутри мантии Земли, лонсдейлит мог образоваться в хаосе катастрофического столкновения в межпланетном пространстве. Заурядные алмазы состоят из атомов углерода со всеми четырьмя доступными электронами, связанными с соседними в виде тетраэдра, что делает всю структуру достаточно прочной, чтобы сделать кристалл одним из самых твердых веществ на Земле.
Лонсдейлит — тоже кристалл из углерода, только со структурой, идеально сохраняющей шестиугольную форму графита. Согласно компьютерным моделям, такая структура должна сделать материал еще более жестким, чем традиционный алмаз. Но доказать эту гипотезу сложно.
История лонсдейлита
Лонсдейлит встречается очень редко, и несколько образцов, которые были собраны до сих пор, намного тоньше человеческого волоса, что делает их анализ в лаборатории сложной задачей. Этот причудливый материал был впервые обнаружен в метеорите в 1967 году, и с тех пор он сбивает с толку ученых. В 2014 году группа исследователей утверждала, что лонсдейлит на самом деле не дискретный природный материал, а скорее обычный алмаз, который просто находится в беспорядке.
Однако в последующие годы эта гипотеза не выдержала критики.
В то время как лонсдейлит в основном был обнаружен в редком типе каменного метеорита, называемом уреилитом, он также был получен в лаборатории при высоких температурах и обнаружен на Земле в местах, которые, как считается, подверглись ударам астероидов. Считается, что уреилиты возникли на давно стертой карликовой планете, которая теперь разбросана по всей Солнечной системе в виде небольших кусков космического мусора.
Это еще раз подтверждает теорию происхождения лонсдейлита от столкновений, хотя не все ученые с ней согласны.
Исследование метеоритов
Используя передовые методы электронной микроскопии на 18 образцах уреилита, международная группа исследователей увеличила масштаб образования лонсдейлита, как никогда раньше. Авторы утверждают, что наконец-то доказали, что лонсдейлит может образовываться естественным образом и способом, удивительно похожим на то, как ученые синтезируют этот материал в лаборатории.
«Есть убедительные доказательства того, что существует недавно обнаруженный процесс образования лонсдейлита и обычного алмаза, который похож на процесс сверхкритического химического осаждения из паровой фазы (CVD). Оно произошло в космических породах, вероятно, на карликовой планете вскоре после катастрофического столкновения», — объясняет микроскопист Дугал МакКаллох из Университета RMIT в Австралии.
Примечательно, что химическое осаждение из паровой фазы — это один из способов изготовления алмазов в лаборатории на Земле, по сути, путем их выращивания в специальной камере.
Результаты исследования
Полученные результаты согласуются с предыдущими исследованиями, в ходе которых также были обнаружены признаки в наполненных алмазами метеоритах, которые согласуются с процессами CVD при низком давлении. Но, в отличие от некоторых других работ, эта предполагает, что лонсдейлит образовался в среде с небольшим давлением при столкновении между массой достаточного размера и карликовой планетой, а не в мантии большой планеты с высоким давлением, как в случае с традиционным алмазом.
Большинство образцов метеоритов, проанализированных в этом последнем исследовании, содержали скопления мелких алмазов, встроенных в графит. Эти богатые алмазами участки соседствовали с участками без алмазов, а между ними исследователи часто обнаруживали гексагональную структуру лонсдейлита.
По словам исследователей, если правильный состав минерала подвергается достаточно сильному удару, горячий газ и жидкость теоретически могут рассеяться по трещинам и границам зерен, в результате чего графит ударится в гексагональную структуру лонсдейлита. По мере остывания породы в этих областях могут образовываться субзерна сверхтвердого материала.
«Таким образом, природа предоставила нам процесс, который мы можем попытаться воспроизвести в промышленности», — отмечает геолог Энди Томкинс из Университета Монаша в Австралии. Он считает, что лонсдейлит можно использовать для изготовления крошечных сверхтвердых деталей для различных устройств, если инженеры смогут разработать промышленный процесс, который будет способствовать замене предварительно формованных графитовых деталей лонсдейлитом.