Il team guidato dal Dr. Mingguang Yao ha applicato alla grafite una pressione di 300.000 atmosfere e temperature elevate per formare la struttura esagonale. Dopo 50 anni di tentativi, scienziati cinesi sono riusciti a crearla in laboratorio. Per ottenerla, hanno sottoposto la grafite a una pressione estrema di 30 GPa (circa 300.000 atmosfere) e a temperature fino a 1.100°C, necessarie per stabilizzare la struttura. I cristalli prodotti hanno raggiunto dimensioni record fino a 1,2 mm, un traguardo significativo per questa forma di carbonio ultraresistente. Le possibili applicazioni includono l’elettronica, il taglio industriale e i rivestimenti resistenti al calore. Nonostante le sfide per una produzione su larga scala, il lonsdaleite promette soluzioni innovative e sostenibili in diversi settori tecnologici.
Un diamante con un tocco strutturale
La lonsdaleite è una forma esagonale di carbonio, una variante del diamante convenzionale con proprietà fisiche superiori. Scoperta nel 1967 in un detrito di meteorite, è stata studiata per decenni per la sua durezza teorica, superiore persino a quella del diamante cubico tradizionale.
Ciò che rende unica la lonsdaleite è la sua struttura cristallina esagonale, in contrasto con la disposizione cubica del diamante ordinario. Questa configurazione gli conferisce una maggiore resistenza direzionale, ideale per le applicazioni che richiedono un’estrema tolleranza alle sollecitazioni meccaniche.
Questa forma di carbonio, che prende il nome da Dame Kathleen Lonsdale, pioniera della cristallografia, rappresenta una svolta fondamentale nella progettazione di materiali ultraresistenti.
Dalla grafite al diamante esagonale
Il team guidato dal dottor Mingguang Yao dell’Università di Jilin è riuscito a sintetizzare la lonsdaleite sottoponendo la grafite a una pressione di circa 30 gigapascal (GPa), equivalente a oltre 300.000 atmosfere.
Contemporaneamente, hanno applicato temperature fino a 1.100 gradi Celsius (2.012 °F), necessarie per riorganizzare gli atomi di carbonio nell’ambita struttura esagonale senza farli collassare in fasi più comuni.
Questo processo richiede un controllo preciso di pressione, temperatura e tempo, un equilibrio instabile che, se fallisce, rovina completamente la formazione del materiale.
Più duro del diamante
I test hanno rivelato che la lonsdaleite è più dura del 40% rispetto al diamante tradizionale. Se quest’ultimo è già il punto di riferimento per gli utensili da taglio, la nuova forma promette di superarne le capacità, soprattutto in ambienti ad alta pressione o ad alta temperatura.
A differenza del diamante tradizionale, che si forma a pressioni inferiori, la lonsdaleite richiede condizioni sei volte più estreme, che finora ne hanno reso impossibile la sintesi su scala visibile.
Dimensioni utili per l’industria
In questa ricerca è stato raggiunto un risultato senza precedenti: cristalli fino a 1,2 millimetri di diametro. Sebbene siano ancora piccoli per molti usi industriali, le loro dimensioni consentono già di effettuare test pratici al di fuori dell’ambiente microscopico.
Questo apre la strada a una produzione industriale in futuro, impensabile fino a pochi anni fa.
Stabilità termica fondamentale
Una delle proprietà più importanti è la stabilità termica. A differenza di altri materiali superduri, la lonsdaleite rimane stabile a temperature estreme, il che la rende un candidato ideale per componenti elettronici o meccanici sottoposti a calore elevato.
Senza un preciso controllo termico durante la fabbricazione, la struttura può collassare. Gli scienziati stanno quindi studiando rampe termiche controllate per garantire una crescita cristallina adeguata.
Produzione di massa? Non ancora
La sintesi della lonsdaleite non è ancora fattibile su scala industriale. Riprodurre costantemente le condizioni estreme di pressione e temperatura rappresenta una sfida tecnica ed economica.
Il team sta lavorando per trovare catalizzatori chimici e additivi che riducano i requisiti energetici del processo. La chiave è rendere possibile la produzione a costi ragionevoli.
Ispirazione dagli impatti cosmici
In natura, la lonsdaleite si forma in seguito a impatti di meteoriti, in cui si generano enormi pressioni e temperature in frazioni di secondo. Emulare queste condizioni in laboratorio non è stato facile.
Tuttavia, la capacità di replicare tali eventi astronomici in un ambiente controllato rappresenta un enorme passo avanti nella scienza dei materiali.
Applicazioni oltre la gioielleria
Questo nuovo tipo di diamante ha applicazioni promettenti in settori quali:
- Elettronica ad alta temperatura.
- Utensili da taglio industriali.
- Rivestimenti ultraresistenti all’usura.
- Componenti meccanici soggetti ad attrito estremo.
A lungo termine, potrebbe persino sostituire materiali tossici o inquinanti come l’amianto in alcune applicazioni strutturali, grazie alla sua durata e stabilità termica.
Il potenziale di questa tecnologia
La lonsdaleite ha il potenziale per diventare un elemento chiave per la sostenibilità tecnologica. La sua estrema durezza e resistenza al calore potrebbe prolungare la durata di vita di utensili e componenti, riducendo il consumo di materiali ed energia nella loro sostituzione.
Inoltre
- Riduce la dipendenza dai minerali di conflitto, poiché può essere prodotta a partire dalla grafite comune.
- Potrebbe sostituire rivestimenti inquinanti o cancerogeni come l ‘amianto, soprattutto negli ambienti industriali.
- La sua capacità di operare ad alte temperature senza degradarsi la rende ideale per turbine, reattori o sistemi solari a concentrazione, migliorando l’efficienza e riducendo la manutenzione.
Se i processi di sintesi possono essere scalati e ottimizzati, la lonsdaleite potrebbe cambiare il modo in cui produciamo e conserviamo le risorse. Si tratta di una tecnologia che, sebbene agli inizi, ha il potenziale per rafforzare la transizione verso un’industria più pulita, efficiente e resiliente.
