순수 나노의 자연발생

May 21, 2024

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 14702(2015) 이 기사 인용

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입자 크기가 100 nm 미만인 다결정 다이아몬드의 고화체인 나노 다결정 다이아몬드(NPD)는 고압 및 고온에서 흑연을 직접 변환하여 실험적으로 생산되었습니다. NPD는 독특한 나노 질감으로 인해 단결정 다이아몬드에 대한 우수한 경도, 인성 및 내마모성을 가지며 산업 및 과학 응용 분야에 성공적으로 사용되었습니다. 그러나 이러한 소결된 나노다이아몬드는 천연 맨틀 다이아몬드에서는 발견되지 않았습니다. 여기에서 우리는 약 3500만 년 전 러시아에서 대규모 운석 충돌에 의해 생성된 천연 순수 NPD를 확인했습니다. 임팩트 다이아몬드는 합성 NPD와 유사하지만 잘 소결된 등립상 나노결정(5-50 nm)으로 구성되지만 뚜렷한 [111] 선호 방향이 있습니다. 이는 단결정 흑연의 마르텐사이트 변태를 통해 형성되었습니다. 응력에 의해 유발된 소스 흑연의 국부적인 단편화와 그에 따른 제한된 시간 내에 다이아몬드로의 신속한 변환은 다중 다이아몬드 핵생성을 초래하고 전체 결정립 성장을 억제하여 천연 NPD의 독특한 나노결정 질감을 생성합니다. Popigai 분화구에는 엄청난 양의 천연 NPD가 존재할 것으로 예상되며, 이는 새로운 초경질 재료로서의 응용에 잠재적으로 중요합니다.

흑연을 직접 변환하여 합성한 나노다결정다이아몬드(NPD)1,2는 경질재료3의 정밀가공 및 가공기술 혁신에 기여하고 있습니다. NPD의 초고경도와 기계적 강도는 잘 소결된 나노구조 자체에서 비롯됩니다. 이는 Hall-Petch 관계5,6에서 예측한 대로 결정립 경계에서 미세 벽개 및 전위 이동의 발생을 방지하여 벌크 강도를 향상시킵니다4. 따라서 높은 PT에서 나노 다결정 조직을 생산하는 것은 경질 재료 개발에 있어서 최첨단 기술이며 SiO2(stishovite)7 및 Al2O3(corundum)8에도 적용되었습니다. 여기에서 우리는 거대한 충돌 분화구에서 수집된 다이아몬드에서 합성 다이아몬드와 유사한 미세 질감 및 형성 메커니즘을 갖는 NPD의 천연 대응물을 확인했습니다.

큰 운석 충돌은 때때로 지구 표면의 충격으로 인해 다이아몬드를 생성합니다9,10,11,12,13,14,15,16. 러시아 북부 중앙 시베리아에 위치한 Popigai 분화구는 이러한 임팩트 다이아몬드의 주요 호스트 중 하나입니다14,15,16. 임팩트 구조에 대한 광범위한 지질학적 탐사와 임팩트 다이아몬드 발견이 이미 1970년대에 이루어졌음에도 불구하고, 이 지역은 방대한 추정 다이아몬드 매장량으로 인해 최근 다시 주목을 받고 있습니다14,15,16. 진짜 충격 다이아몬드는 충격을 받아 조각난 흑연을 함유한 석류석-흑운모 편마암(Archean)에서 발생하며, 이는 충격 용융 암석(타가마이트 및 수에바이트14,15,16)에 포함된 것으로 발견됩니다. 이는 일반적으로 0.5-2mm 크기(최대 10mm)의 불규칙한 판상 입자로 나타나며 노란색, 회색 또는 검정색을 띠며 때로는 눈에 띄는 복굴절을 나타냅니다14,15,16. 가장 충격이 큰 다이아몬드의 표면은 호스트 충격 용융물에서 강렬한 가열 및 산화 경험을 나타내는 용해 및 부식 패턴을 표시합니다14. 이전 연구14,15,16,17,18에서는 마이크론에서 마이크론 미만의 다이아몬드 결정까지의 다결정 집합체라고 설명했습니다. 대부분의 입자에서 아포그라파이트 다이아몬드 입자(단결정 흑연 이후 유사형)의 발생과 다이아몬드의 육각형 다형인 론스달라이트(전체의 최대 25%17)의 존재는 결정성이 좋은 흑연으로부터 마르텐사이트 형성을 암시합니다. 그러나 이러한 이전 연구에도 불구하고 Popigai 다이아몬드의 세부적인 미세 질감과 결정학적 특징은 명확하게 확인되지 않았습니다(즉, 전반적인 질감 특성이 불분명한 상태로 남아 있습니다). 대부분의 경우, 투과전자현미경(TEM) 관찰을 통한 초기 관찰은 분쇄되거나 이온이 희석된 샘플에 대한 국소 규모에서만 이루어졌습니다. 본 연구에서는 집속 이온 빔(FIB)을 사용하여 준비된 여러 방향의 단면에 대한 주의 깊은 TEM 관찰을 통해 Popigai 임팩트 다이아몬드의 나노결정질 특성을 밝히고 천연 NPD의 독특한 변형 및 텍스처링 프로세스에 대해 논의합니다.