Vibrational spectroscopy identifies the bond asymmetry of hexagonal diamond
Combinando la dinamica del reticolo basata sui primi principi con la spettroscopia Raman e i dati di diffrazione, questo studio risolve la controversia strutturale del diamante esagonale massivo dimostrando che i suoi legami interstrato sono più lunghi dei suoi legami intrastrato, identificando così una specifica asimmetria di legame positiva che contraddice i precedenti raffinamenti contrastanti.
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Immaginate un mondo in cui la sostanza più dura conosciuta dall'umanità, il diamante, si presenta in due varietà: quella familiare, rotonda e rimbalzante che troviamo nella gioielleria, e una versione esagonale, più rara, che gli scienziati inseguono da decenni. Pensate a queste due varietà come a modi diversi di impilare strati di atomi di carbonio, come costruire una torre con una griglia quadrata o una griglia a nido d'ape. Per molto tempo, la versione esagonale è stata un fantasma — trovata principalmente sotto forma di minuscole e disordinate briciole nei meteoriti o creata nei laboratori sotto pressione estrema, rendendola difficile da studiare. Gli scienziati volevano sapere esattamente come fossero disposti gli atomi perché la forza e il comportamento di questo materiale dipendono interamente dalle minuscole distanze tra i suoi atomi. In particolare, discutevano di un tiro alla fune microscopico: i legami che tengono insieme gli strati sono leggermente più corti o leggermente più lunghi dei legami che tengono insieme gli atomi all'interno di un singolo strato? Comprendere correttamente questo aspetto è fondamentale perché, se riuscissimo a padroneggiare questo materiale, potrebbe portare a strumenti super resistenti o a nuova elettronica, ma prima dobbiamo concordare su come sia fatto realmente il materiale.
Recentemente, due diversi team di ricerca hanno costruito grandi campioni puri di questo diamante esagonale e hanno fotografato gli atomi usando i raggi X. Ma ecco il colpo di scena: quando hanno misurato le distanze tra gli atomi, hanno ottenuto risposte completamente opposte. Un team ha affermato che i legami verticali erano più corti, mentre l'altro ha sostenuto che fossero più lunghi. Era come se due persone guardassero lo stesso edificio e una dicesse che il tetto è più basso delle pareti, mentre l'altra insista che il tetto sia più alto. Questo disaccordo era così grande da lasciare la comunità scientifica confusa sulla vera natura di questo materiale.
Entra in scena un nuovo studio che agisce come un detective che usa un tipo diverso di indizio. Invece di limitarsi a guardare una foto statica degli atomi, questo team ha ascoltato il "canto" del materiale. Hanno utilizzato una tecnica chiamata spettroscopia vibrazionale, che è come toccare un bicchiere per sentirne il rintocco. Ogni molecola ha un insieme unico di note che può cantare in base a come sono connessi i suoi atomi. Simulando come dovrebbero suonare queste note per diverse disposizioni atomiche, i ricercatori hanno potuto testare quale delle due immagini contrastanti fosse in realtà quella reale.
L'indagine ha rivelato che le due precedenti "immagini" erano probabilmente sfocate o fuorvianti. Il nuovo studio, utilizzando potenti simulazioni al computer, ha scoperto che il diamante esagonale vuole naturalmente allungare i suoi legami verticali, rendendoli leggermente più lunghi di quelli orizzontali di circa 24 millesimi di un angstrom (un'unità così piccola che è difficile da immaginare). Questo allungamento avviene a causa di un modo specifico in cui gli strati si impilano, simile a come una persona che sta con i piedi direttamente sotto le spalle (una posizione "eclissata") avverte un po' più di tensione rispetto a qualcuno con i piedi scalati. Le simulazioni hanno mostrato che questo specifico allungamento crea una "canzone" o frequenza di vibrazione distinta.
Quando i ricercatori hanno confrontato le loro canzoni simulate con le canzoni reali registrate dai campioni, i risultati sono stati chiari. Le due strutture contrastanti proposte dagli altri team non corrispondevano affatto alla musica. La struttura di un team prevedeva una canzone troppo acuta, mentre l'altra prevedeva una canzone troppo bassa e con il ritmo sbagliato. L'unica struttura che corrispondeva alla "canzone" del mondo reale era quella in cui i legami verticali erano leggermente più lunghi, confermando le misurazioni più vecchie e meno precise del 2003 e i nuovi modelli informatici.
Lo studio ha affrontato anche una misteriosa nota acuta che un team aveva sentito a 1.529 cm⁻¹. I ricercatori hanno concluso che questa non era affatto una nota del diamante esagonale perfetto. Al contrario, sospettano che fosse una "nota fantasma" proveniente da un piccolo residuo di grafite o carbonio disordinato che è stato stirato o compresso durante l'esperimento, proprio come una corda di chitarra leggermente scordata.
In breve, questo articolo risolve un mistero che dura da decenni ascoltando le vibrazioni del materiale. Suggerisce che il diamante esagonale abbia una struttura specifica, leggermente allungata, che lo rende unico. Esclude l'idea che i legami siano più corti o che il materiale sia perfettamente simmetrico. Sebbene l'autore sia molto fiducioso nelle proprie simulazioni e nel modo in cui esse corrispondano ai dati sperimentali, riconosce che la ragione esatta della "nota fantasma" necessita di ulteriori indagini. Propone che esperimenti futuri esaminino il materiale con diversi tipi di luce per confermare queste scoperte, ma per ora, le prove puntano verso un diamante esagonale che è leggermente allungato, non schiacciato.
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