A gyémántnál is keményebb?<br/>

Világszerte kutatnak olyan anyagok után, amelyeknek a keménysége megközelíti, vagy akár túl is szárnyalja a gyémántét.

A gyémánt nemcsak ékszerként kedvelt, hanem bizonyos iparágakban is nélkülözhetetlen. Mint a Földön ismert legkeményebb anyagot, elsősorban fúró és csiszolófejekben alkalmazzák, persze, drágasága miatt csak nagyon korlátozott mértékben. Ezért is kutatnak világszerte olyan anyagok után, amelyeknek a keménysége megközelíti, vagy akár túl is szárnyalja a gyémántét. A legújabb kutatási eredmények szerint ilyen lehet a szén egy módosulata, egy 20 vagy 28 szénatomból álló, "kalitkaszerű" (külső megjelenésében a nevezetes futball-labda-molekulához hasonló) fullerénmolekula. Bár ezt még nem sikerült szintetizálni, egy kutatócsoport szilíciumból előállította a molekula egyenértékű szerkezetű, analóg párját, a szilícium-klatrátot, amely csaknem olyan keménynek bizonyult, mint a szilícium "gyémánt" kristálya. A kísérletek azt is megmutatták, hogy a szilíciumnak ez az eddig ismeretlen formája meglepő mértékben ellenáll a nyomásnak.

A szén-klatrát egyik formája 20 és 28 atomos kalitkákból áll (fenn). Alul bizonyos kalitkák közepén nátrium-atomok vannak (Alfonso San Miguel/Univ. of Lyon)

Általában véve a klatrátok olyan zárványvegyületek, amelyek kalitkaszerű kritályrácsának üregeibe "vendégatomok" vagy molekulák épülhetnek be. A szilícium-klatrát egyik formáját például 20 és 28 szilíciumatomból álló, fullerénszerű, gömbszimmetrikus "kalitkák" alkotják. Jóllehet ez egy nehezen elképzelhető, bonyolult térbeli szerkezet, az egyes szilíciumatomok szempontjából nagyon közel áll a szilícium (vagy a szén) gyémántrácsához: minden egyes atom négy szomszédos atomhoz kapcsolódik, amelyek jó közelítéssel egyenlő távolságokra, egy az atom körüli, képzeletbeli gömb felszínén helyezkednek el. "Ez a szerkezet lokálisan nagyon hasonlít a gyémántéhoz, ám teljes felépítése nagymértékben eltér tőle" - mondta Alfonso San Miguel, a Lyoni Egyetem kutatója. Ő és munkatársai elsősorban a szén-klatráttal való analógia miatt állították elő az anyagot, ám egyúttal persze kíváncsiak voltak ennek a nagyon kis sűrűségű szilícium-módosulatnak a fizikai és a félvezetőiparban hasznosítható tulajdonságaira is.

A kutatók gyémántüllő-cellába szilícium-klatrát port helyeztek, amelyet aztán fokozatosan 15 gigapascalos nyomásra (ez a normál légköri nyomásnak mintegy százötvenezerszerese) préseltek össze. A szerkezet változásait az Orsay-i LURE szinkrotron röntgensugarainak diffrakciójával követték nyomon. Az alacsony sűrűség, és a meglehetősen laza szerkezet (minden kalickában nagy üregek vannak) ellenére a szilícium-klatrát szerkezete meglepően stabilnak bizonyult a nyomásváltozással szemben, és nem alakult át a teret sűrűbben kitöltő gyémántszerkezetté. Ehelyett nagyjából ugyanazon a nyomáson (11 GPa-nál), amelyen a gyémánt nagy nyomású módosulata létrejön, a szilícium annak megfelelő formája alakult ki. A klatrát összenyomhatóságának (kompresszibilitásának) mérésével megállapították, hogy keménysége alig 8 százalékkal kisebb a gyémánténál. San Miguel és munkatársai azt is kiszámították, hogy ha sikerülne szén-klatrátot előállítaniuk, annak keménységét valóban csak a gyémánt múlná felül, ám ha az üregekbe megfelelő szennyező-atomokat ültetnének, akkor a klatrát keménysége meghaladhatná a gyémántét.

Jean Louis Hodeau, a Grenoblei Nemzeti Kutatóközpont munkatársa egyetért azzal, hogy a szén-klatrát valószínűleg nagyon kemény anyag, és reméli, hogy az általa fullerének előállítására kidolgozott eljárással szén-klatrát is készíthető. Így ténylegesen kiderülne, készíthető-e belőlük - a kalitkákba megfelelő szennyező-atomokat ültetve - a gyémántnál is keményebb anyag. Ezt követhetné aztán annak vizsgálata, hogy megoldható-e a tömeggyártás, és ha igen, milyen áron.

(Élet és Tudomány)

Ajánló: