Естественное возникновение чистого нано

May 21, 2024

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 14702 (2015) Цитировать эту статью

6524 Доступа

37 цитат

19 Альтметрика

Подробности о метриках

Консолидированные тела поликристаллического алмаза с размером зерен менее 100 нм, нано-поликристаллический алмаз (НПД), экспериментально получены методом прямой конверсии графита при высоком давлении и высокой температуре. NPD обладает превосходной твердостью, ударной вязкостью и износостойкостью по сравнению с монокристаллическими алмазами благодаря своей особой нанотекстуре и успешно используется в промышленных и научных целях. Однако такие спеченные наноалмазы не были обнаружены в природных мантийных алмазах. Здесь мы идентифицировали природный чистый NPD, образовавшийся в результате крупного метеоритного удара около 35 млн лет назад в России. Ударные алмазы состоят из хорошо спеченных равнозернистых нанокристаллов (5–50 нм), аналогичных синтетическим АФД, но с отчетливой [111] преимущественной ориентацией. Они образовались в результате мартенситного превращения из монокристаллического графита. Вызванная напряжением локальная фрагментация исходного графита и последующая быстрая трансформация в алмаз в течение ограниченного времени приводят к множественному зародышеобразованию алмаза и подавлению общего роста зерен, создавая уникальную нанокристаллическую текстуру природного АФД. Ожидается, что в кратере Попигай будет присутствовать огромное количество природного АФД, который потенциально важен для применения в качестве нового сверхтвердого материала.

Нанополикристаллический алмаз (NPD)1,2, синтезированный путем прямой конверсии графита, способствует техническим инновациям в прецизионной механической обработке и изготовлении твердых материалов3. Сверхвысокая твердость и механическая прочность АФД обусловлена ​​самой хорошо спеченной наноструктурой. Это предотвращает развитие микрорасколов и движение дислокаций на границах зерен, повышая объемную прочность4, как предсказывает соотношение Холла-Петча5,6. Таким образом, получение нанополикристаллической текстуры при высоких PT является современным прорывом в разработке твердых материалов и применяется также для SiO2 (стишовит)7 и Al2O3 (корунд)8. Здесь мы идентифицировали природный аналог NPD, который имеет микротекстуру и механизм образования, аналогичные синтетическим, в алмазах, собранных из гигантского ударного кратера.

Крупный метеоритный удар иногда приводит к образованию алмазов в результате удара по поверхности Земли9,10,11,12,13,14,15,16. Кратер Попигай, расположенный на севере центральной Сибири, Россия, является одним из основных месторождений таких ударных алмазов14,15,16. Недавно он снова оказался в центре внимания из-за огромных предполагаемых запасов алмазов, хотя обширные геологические исследования ударной структуры и открытие ударных алмазов были проведены уже в 1970-х годах14,15,16. Аутигенные ударные алмазы встречаются в потрясенных и фрагментированных графитсодержащих гранат-биотитовых гнейсах (архейские), которые встречаются в виде включений в ударных расплавных породах, называемых тагамитами и свевитами14,15,16. Они встречаются в виде зерен неправильной или таблитчатой ​​формы размером обычно 0,5–2 мм (до 10 мм) желтого, серого или черного цвета и иногда демонстрируют заметное двойное лучепреломление14,15,16. На поверхности наиболее ударных алмазов наблюдаются закономерности растворения и коррозии, указывающие на интенсивный нагрев и окисление в принимающем импактном расплаве14. Более ранние исследования14,15,16,17,18 показали, что они представляют собой поликристаллические агрегаты кристаллов алмаза размером от микрона до субмикрона. Наличие апографитовых зерен алмаза (псевдоморфных по монокристаллическому графиту) и наличие в большинстве этих зерен лонсдейлита - гексагональной полиморфной модификации алмаза (до 25% от общего количества17) свидетельствуют об их мартенситном образовании из хорошо кристаллического графита. Однако, несмотря на эти предыдущие исследования, детали микротекстуры и кристаллографические особенности алмазов Попигай не были четко идентифицированы (т.е. общие текстурные характеристики остались неясными). В большинстве случаев более ранние наблюдения с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) проводились только в локальных масштабах на измельченных или ионно-утоненных образцах. Настоящее исследование раскрывает нанокристаллическую природу импактных алмазов Попигай посредством тщательных наблюдений ПЭМ на ряде ориентированных сечений, подготовленных с использованием сфокусированного ионного пучка (FIB), и обсуждает уникальный процесс трансформации и текстурирования природного NPD.