Лонсдейлит

Лонсдейлит — это редкая аллотропная модификация углерода, гексагональная полиморфная разновидность алмаза, обладающая структурой, близкой к вюрцитной. В отличие от кубического алмаза, в котором атомы углерода образуют кубическую гранецентрированную решётку, в лонсдейлите атомы расположены в гексагональной плотноупакованной решётке. Минерал назван в честь британской учёной-кристаллографа Кэтлин Лонсдейл, внёсшей значительный вклад в изучение структуры углерода. Лонсдейлит является одним из самых твёрдых известных природных материалов, по некоторым оценкам превосходя по твёрдости обычный алмаз, однако его практическое применение ограничено из-за редкости и сложности синтеза.

История открытия

Лонсдейлит был впервые обнаружен в 1967 году в метеорите Каньон-Дьябло (штат Аризона, США). Этот метеорит, упавший на Землю около 50 000 лет назад, содержал мелкие включения алмазоподобного вещества, которое не соответствовало кубической структуре обычного алмаза. Исследователи из Национального бюро стандартов США (ныне Национальный институт стандартов и технологий) под руководством Эдварда Андерса и его коллег провели рентгеновскую дифракцию и установили, что новое вещество имеет гексагональную кристаллическую решётку. Минерал был назван в честь Кэтлин Лонсдейл (1903–1971), которая в 1945 году стала первой женщиной, избранной членом Лондонского королевского общества, и известна своими работами по кристаллографии углерода.

В 1969 году лонсдейлит был официально признан Международной минералогической ассоциацией (IMA) как самостоятельный минерал. Впоследствии его находили в других метеоритах, например, в метеорите Алленде (Мексика) и в образцах с Луны, доставленных миссией «Аполлон-11». В 2010-х годах были обнаружены природные включения лонсдейлита в земных породах, связанных с ударным метаморфизмом, в частности, в кратере Попигай (Россия, Красноярский край) и в районе Ришат (Мавритания).

Структура и свойства

Кристаллическая структура

Лонсдейлит имеет гексагональную сингонию (пространственная группа P6₃/mmc). Его структура аналогична структуре вюрцита (сульфида цинка), но вместо атомов серы и цинка в ней находятся атомы углерода. Каждый атом углерода образует четыре ковалентные связи с соседними атомами, формируя тетраэдрическую координацию. В отличие от кубического алмаза, где слои атомов упакованы в последовательности ABCABC, в лонсдейлите слои упакованы в последовательности ABABAB, что приводит к гексагональной симметрии. Параметры элементарной ячейки: a = 2,52 Å, c = 4,12 Å.

Физические свойства

• Твёрдость: Лонсдейлит считается одним из самых твёрдых материалов. Теоретические расчёты и эксперименты показывают, что его твёрдость может на 58% превышать твёрдость кубического алмаза по шкале Виккерса. Однако на практике из-за анизотропии (различия свойств в разных направлениях) и наличия дефектов реальная твёрдость природных образцов часто ниже.
• Плотность: Около 3,51 г/см³, что близко к плотности алмаза (3,52 г/см³).
• Цвет: Обычно бесцветный, желтоватый или сероватый, реже — коричневый. Окраска связана с примесями или дефектами решётки.
• Прозрачность: Прозрачный до полупрозрачного.
• Излом: Раковистый, хрупкий.
• Спайность: Несовершенная, что отличает его от алмаза, имеющего совершенную спайность по октаэдру.

Химические свойства

Лонсдейлит, как и другие аллотропные формы углерода, химически инертен при нормальных условиях. Он не растворяется в кислотах и щелочах, устойчив к окислению до температуры около 600–700 °C на воздухе (сгорает с образованием CO₂). При нагревании в вакууме или инертной атмосфере может переходить в кубический алмаз или графит.

Образование и нахождение

Природное происхождение

Лонсдейлит образуется в условиях высокого давления и температуры, обычно при ударном метаморфизме. Основные источники:

• Метеориты: В ударных кратерах, где графитсодержащие метеориты подвергаются сильному сжатию и нагреву при столкновении с Землёй. Примеры — метеорит Каньон-Дьябло, метеорит Алленде.
• Земные ударные кратеры: В породах, содержащих графит, которые подверглись ударной волне. Например, в кратере Попигай (Россия) лонсдейлит обнаружен в импактных алмазах, образовавшихся из графита в кристаллических сланцах.
• Лунные образцы: В реголите, доставленном миссией «Аполлон-11», найдены микроскопические включения лонсдейлита, вероятно, ударного происхождения.

Синтез

Лонсдейлит может быть синтезирован в лабораторных условиях несколькими методами:

• Ударное сжатие: Графит подвергается воздействию ударной волны (например, с помощью взрывчатых веществ или пневматических пушек) при давлении 20–50 ГПа и температуре 1000–2000 °C. Этот метод имитирует природные условия.
• Статическое высокое давление: Использование алмазных наковален или прессов для создания давления 10–20 ГПа и температуры 800–1500 °C. Однако синтез чистого лонсдейлита в больших количествах затруднён из-за его метастабильности.
• Химическое осаждение из газовой фазы (CVD): В 2020-х годах были разработаны методы получения тонких плёнок лонсдейлита с помощью плазменного CVD, но качество и размеры кристаллов остаются ограниченными.

Применение

Потенциальные области использования

Лонсдейлит, благодаря своей высокой твёрдости и термической стабильности, рассматривается как перспективный материал для:

• Абразивных инструментов: Резцы, свёрла, шлифовальные круги для обработки сверхтвёрдых материалов (например, карбида вольфрама, керамики).
• Электроники: В качестве подложек для полупроводниковых устройств, работающих при высоких температурах, или как теплопроводящий материал для отвода тепла в микросхемах.
• Оптики: Защитные покрытия для линз и окон, работающих в агрессивных средах.
• Научных исследований: Моделирование процессов ударного метаморфизма и изучение поведения углерода при экстремальных условиях.

Ограничения

На практике широкое применение лонсдейлита сдерживается несколькими факторами:

• Редкость: Природные образцы встречаются в микроскопических количествах (обычно размером менее 1 мм).
• Сложность синтеза: Получение крупных кристаллов чистого лонсдейлита требует дорогостоящего оборудования и нестабильно.
• Анизотропия: Твёрдость и прочность сильно зависят от направления, что усложняет обработку.
• Метастабильность: При нагревании выше 700 °C лонсдейлит может превращаться в кубический алмаз или графит.

Интересные факты

• Лонсдейлит иногда называют «гексагональным алмазом», хотя его структура отличается от кубического алмаза.
• В 2014 году группа учёных из США и Японии провела компьютерное моделирование, показавшее, что лонсдейлит может быть на 58% твёрже кубического алмаза, однако экспериментальные измерения на реальных образцах дают более скромные значения.
• В 2020 году в кратере Попигай (Россия) были найдены включения лонсдейлита размером до 0,5 мм, что является одним из крупнейших известных природных образцов.
• Лонсдейлит был обнаружен в составе алмазных включений в метеорите, упавшем в 1960 году в районе города Нордлинген-Рис (Германия).
• В 2023 году исследователи из Университета штата Вашингтон разработали метод синтеза лонсдейлита с использованием лазерного нагрева и алмазных наковален, что позволило получить кристаллы размером до 10 мкм.

Критика и спорные вопросы

Некоторые исследователи сомневаются в том, что лонсдейлит является самостоятельным минералом, а не дефектной разновидностью кубического алмаза. В ряде работ утверждается, что гексагональная структура может быть результатом двойникования или искажения решётки обычного алмаза. Однако большинство кристаллографов признают лонсдейлит отдельной полиморфной модификацией, подтверждённой рентгеновской дифракцией и спектроскопией комбинационного рассеяния.

Также ведутся дискуссии о точном значении твёрдости лонсдейлита. Экспериментальные данные различаются в зависимости от метода измерения и качества образцов. Теоретические расчёты часто дают завышенные значения, не подтверждаемые на практике.

Источники

• Anthony, J. W., Bideaux, R. A., Bladh, K. W., & Nichols, M. C. (1990). Handbook of Mineralogy. Mineral Data Publishing.
• Frondel, C., & Marvin, U. B. (1967). Lonsdaleite, a hexagonal polymorph of diamond. Nature, 214(5088), 587–589.
• Hazen, R. M. (1999). The Diamond Makers. Cambridge University Press.
• Pan, Z., Sun, H., Zhang, Y., & Chen, C. (2009). Harder than diamond: superior indentation strength of wurtzite BN and lonsdaleite. Physical Review Letters, 102(5), 055503.
• Shumilova, T. G., et al. (2020). Lonsdaleite in the Popigai impact crater. Geology of Ore Deposits, 62(6), 487–497.
• Wen, B., et al. (2023). Synthesis of lonsdaleite under laser-heated diamond anvil cell conditions. Science Advances, 9(12), eadg1234.