Presenza naturale di puro nano

May 21, 2024

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 14702 (2015) Citare questo articolo

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Corpi consolidati di diamante policristallino con granulometria inferiore a 100 nm, diamante nano-policristallino (NPD), sono stati prodotti sperimentalmente mediante conversione diretta della grafite ad alta pressione e alta temperatura. L'NPD ha durezza, tenacità e resistenza all'usura superiori ai diamanti monocristallini grazie alle sue peculiari nano-texture ed è stato utilizzato con successo per applicazioni industriali e scientifiche. Tali nanodiamanti sinterizzati, tuttavia, non sono stati trovati nei diamanti del mantello naturale. Qui abbiamo identificato l’NPD naturale puro, prodotto da un grande impatto meteoritico circa 35 milioni fa in Russia. I diamanti da impatto sono costituiti da nanocristalli equigranulari ben sinterizzati (5-50 nm), simili agli NPD sintetici, ma con un orientamento preferito distinto [111]. Si sono formati attraverso la trasformazione martensitica della grafite monocristallina. La frammentazione locale indotta dallo stress della grafite sorgente e la successiva rapida trasformazione in diamante in un arco di tempo limitato determinano la nucleazione multipla del diamante e la soppressione della crescita complessiva del grano, producendo la struttura nanocristallina unica dell'NPD naturale. Si prevede che nel cratere Popigai sia presente un’enorme quantità di NPD naturale, che è potenzialmente importante per applicazioni come nuovo materiale ultraduro.

Il diamante nano-policristallino (NPD)1,2 sintetizzato mediante conversione diretta della grafite contribuisce all'innovazione tecnica nella lavorazione meccanica di precisione e nella fabbricazione di materiali duri3. L'elevatissima durezza e resistenza meccanica dell'NPD deriva dalla nanostruttura stessa ben sinterizzata. Previene lo sviluppo di micro-clivaggio e movimento di dislocazione ai bordi del grano, migliorando la resistenza complessiva4, come previsto dalla relazione Hall-Petch5,6. La produzione di texture nano-policristallina ad alto PT rappresenta, quindi, un progresso all'avanguardia nello sviluppo di materiali duri ed è stata applicata anche per SiO2 (stishovite)7 e Al2O3 (corindone)8. Qui, abbiamo identificato una controparte naturale dell’NPD, che ha microtessiture e meccanismi di formazione simili a quelli sintetici, nei diamanti raccolti da un gigantesco cratere da impatto.

Un grande impatto meteoritico occasionalmente produce diamanti a seguito di un evento shock sulla superficie terrestre9,10,11,12,13,14,15,16. Il cratere Popigai, situato nella Siberia centro-settentrionale, in Russia, è uno dei principali luoghi di raccolta di tali diamanti da impatto14,15,16. Recentemente è stato riportato alla ribalta grazie alle sue vaste riserve stimate di diamanti, sebbene un'ampia esplorazione geologica della struttura da impatto e la scoperta di diamanti da impatto fossero già state effettuate negli anni '7014,15,16. I diamanti da impatto autigenico si trovano negli gneiss di granato-biotite (Archeano) scioccati e frammentati contenenti grafite che si trovano come inclusioni nelle rocce fuse da impatto, chiamate tagamiti e sueviti14,15,16. Si presentano come grani da irregolari a tabulari di dimensioni solitamente di 0,5–2 mm (fino a 10 mm) con colori gialli, grigi o neri e talvolta mostrano una notevole birifrangenza14,15,16. La superficie dei diamanti più colpiti mostra modelli di dissoluzione e corrosione che indicano l'esperienza di intenso riscaldamento e ossidazione nella fusione da impatto ospite14. Studi precedenti14,15,16,17,18 hanno descritto che si tratta di aggregati policristallini di cristalli di diamante da un micron a submicron. La presenza di grani di diamante apografitici (pseudomorfi dopo la grafite monocristallina) e la presenza di lonsdaleite, un polimorfo esagonale del diamante (fino al 25% del totale17) nella maggior parte di questi grani implica la loro formazione martensitica da grafite ben cristallina. Tuttavia, nonostante questi studi precedenti, i dettagli della microtessitura e le caratteristiche cristallografiche dei diamanti Popigai non sono stati chiaramente identificati (cioè le caratteristiche strutturali complessive sono rimaste poco chiare). Nella maggior parte dei casi, le osservazioni precedenti mediante microscopia elettronica a trasmissione (TEM) sono state effettuate solo su scala locale su campioni frantumati o assottigliati con ioni. Il presente studio rivela la natura nanocristallina dei diamanti da impatto Popigai attraverso attente osservazioni TEM su una serie di sezioni trasversali orientate preparate utilizzando un fascio ionico focalizzato (FIB) e discute il processo unico di trasformazione e strutturazione dell'NPD naturale.