Лонсдейлит, Lonsdaleite

Лонсдейлит (англ. lonsdaleite) - это гексагональная полиморфная модификация алмаза. Первоначальная характеристика лонсдейлита была предложена американским учёным Bundy F.P.: полиморфная модификация углерода типа вюртцита под названием гексагональный алмаз, это первоначальное название лонсдейлита закрепилось за ним до сих пор.

Иногда лонсдейлит называют одной из аллотропных модификаций углерода с гексагональной кристаллической решёткой, но не все учёные согласны с таким определением, полагая, что неверно считать лонсдейлит самостоятельной аллотропной модификацией [1]. Кристаллическая решётка лонсдейлита полностью состоит из атомов углерода. Как и у алмаза, атомы углерода в лонсдейлите находятся в состоянии sp³-гибридизации.

Годом открытия лонсдейлита считается 1967 - в этом году он был официально признан IMA (International Mineralogy Association). Хотя вюртцитоподобная полиморфная модификация углерода была синтезирована ещё в 1963 (Wentorp R.H., Kasper J.S.). В лабораторных условиях (General Electric Company) лонсдейлит был получен в 1966 году. Примерно тогда же лонсдейлит впервые обнаружили в метеоритных кратерах, о чём было объявлено на ежегодном 29м съезде Метеоритного Общества (the Meteoritical Society) в Вашингтоне.

В течение длительного времени лонсдейлит синтезировали искусственно только из графита - под воздействием колоссального давления. Позже было доказано, что гексагональный алмаз может быть получен также из "традиционного" кубического алмаза.

Кристаллическая решётка лонсдейлита

Кристаллические решетки лонсдейлита и алмаза отличаются способом упаковки. Для кристаллической решётки лонсдейлита характерна гексагональная плотнейшая упаковка (ГПУ) типа AB/AB... (двухслойная), а кристаллическая структура алмаза являет собой кубическую плотнейшая упаковка (КПУ) типа ABC/ABC... (трёхслойную).

Элементарная ячейка кристаллической решётки лонсдейлита содержит четыре атома углерода, в то время как на каждую элементарную решётку кубического алмаза приходится по восемь атомов C. Параметры решётки лонсдейлита а=0,251 нм и b=0,417 нм.

Свойства лонсдейлита

Расчётная плотность лонсдейлита 3,51 г/см³, измеренная плотность 3,2 г/см³. Твёрдость составляет 7-8 единиц по Шкале Мооса.

Лонсдейлит относится к химическому классу металлоидов; он не радиоактивен. Цвет: коричневато-жёлтый. Блеск: алмазный. Оптические свойства лонсдейлита: прозрачный, индекс преломления (рефракция) n от 2,40 до 2,41.

Обычные размеры лонсдейлита - это кристаллы, видимые только под микроскопом. Возможность практического применения гексагонального алмаза вызывает сомнения из-за сложности его получения.

Факты и мифы о лонсдейлите

В природе лонсдейлит впервые был обнаружен в 1967 году в метеоритных остатках в кратере Барринджера (Barringer Crater)* Каньона Дьявола (Canyon Diablo) (Аризона, США). Микроскопические кристаллы лонсдейлита были обнаружены также и на месте падения Тунгусского метеорита. Предположительно лонсдейлит формируется в момент столкновения метеорита с поверхностью Земли из графита, имеющегося в составе метеорита. Под действием огромных температур и давления происходит превращение графита в алмаз, но при этом сохраняется структура гексагональной кристаллической решётки графита.

Название дано лонсдейлиту в честь знаменитой Кэтлин Лонсдейл (Kathleen Lonsdale) - ирландского (британского) химика и кристаллографа. Клиффорд Фрондель предложил назвать так редкую форму метеоритного алмаза ещё при жизни одной из первых женщин-учёных, как бы намекая на то, что лонсдейлит встречается в природе так же редко, как попадались в то время женщины в преимущественно мужской среде учёных, а также подчёркивая уникальность её работы, которую она успешно продолжала на протяжении всей своей жизни.

В 2009 году в периодической печати появились многочисленные публикации о том, что китайские и американские учёные якобы разработали технологию, позволяющую путём специальной обработки нитрида бора с решёткой типа вюртцита и лонсдейлита достигать рекорда твёрдости, в частности, в случае с лонсдейлитом – "на 58% твёрже алмаза". При этом авторы статьи-первоисточника [9] оперировали словами «изучили, вычислили, рассчитали, демонстрируем»; в статье говорится о некоторой гипотетической модели и о "возможности преобразовать" вюртцит нитрид бора и лонсдейлит в "сверхтвёрдые материалы", а также о возможности разработки других новых сверхпрочных материалов; при этом в статье не упоминается о реально проведённых экспериментах.

Любопытно, что большая часть материала посвящена именно нитриду бора с кристаллической решёткой типа вюртцита, а не лонсдейлиту. То есть учёные заявляют нам, во-первых, о перспективах получения, а во-вторых, о лонсдейлите, подвергнутом специальной обработке, а не о лонсдейлите вообще. Не говоря уже о промышленном применении «сверхтвёрдого лонсдейлита». Несмотря на это, и в силу специфики СМИ, в частности, Интернета, распространилась искажённая информация со ссылками на якобы достоверные источники. И вот теперь, с лёгкой руки масс-медиа, лонсдейлит стал "самым твёрдым минералом из известных в мире". Например, в данный момент русскоязычная Википедия прямо заявляет, что лонсдейлит "является самым твердым веществом, на 58% превосходящем по жесткости алмаз". На самом деле твёрдость лонсдейлита по шкале Мооса составляет 7-8 единиц, что, естественно, меньше твёрдости алмаза.

Эта же ошибка повторяется в работе [10], вызывая сомнения в достоверности публикации, при том, что помимо данных, не относящихся к мифической "сверхтвёрдости" гексагонального алмаза, в статье изложены интересные новые сведения о монокристаллическом лонсдейлите. Авторы заявляют о проведении детальных исследований, которые позволили обнаружить монокристаллический лонсдейлит в Кумдыкольском месторождении алмазов Северного Казахстана и выявить новый тип лонсдейлита, не связанный с импактными процессами.

Существует мнение [11], что в незначительных количествах лонсдейлит почти всегда присутствует в любых алмазах в виде дефектов упаковки, кристаллическая структура которых соответствует гексaгональной решетке.

Автор: Корниенко А.Э. (ИЦМ)
Дата публикации: 25.01.2012

После публикации статьи мы получили ценный комментарий от доктора геолого-минералогических наук В.И. Ракина (Институт геологии Коми научного центра УрО РАН) и, согласовав с ним, решили полностью привести его письмо на этой странице в качестве очень полезного дополнения к статье:

Здравствуйте, уважаемая А.Э.
Прочитал Вашу статью по лонсдейлиту на ресурсе ИЦМ. Заметил несколько ошибок в Вашем тексте:
1. алмаз и лонсдейлит не являются плотнейшими упаковками поскольку для плотнейших упаковок координационное число всегда 12, а в алмазе и лонсдейлите - только 4.
2. Для обозначения параметров элементарной ячейки в средних сингониях принято использовать буквы а и с. Так, для лонсдейлита a=b=0,2516 нм, с=0,418 нм.
В разделе "Кристаллическая решетка лонсдейлита" желательно указать также точечную группу решетки лонсдейлита D6h. Указание пространственной группы (P63/mmc) в популярной статье будет пожалуй излишней.
С Вашими критическими замечаниями в адрес сотрудников нашего Института (ссылка [10]) согласен и считаю справедливыми.
У меня есть множество оснований (термодинамических, симметрийных, морфологических, ростовых, кристаллофизических) считать лонсдейлит полисинтетическим двойником обычного кубического алмаза, то есть дефектом структуры алмаза. И не более того.
Поэтому лонсдейлит не может быть обнаружен самостоятельно в отрыве от кубического алмаза. Вероятность встретить его в природе в виде самостоятельного идеоморфного кристалла равна нулю. Поэтому называть его минералом по определению нельзя. Но это мое частное мнение.
С уважением, д.г.-м.н. В.И. Ракин (rakin@geo.komisc.ru)
27.02.2012

Литература:

1. Хайманн Р.Б., Евсюков С.Е. Аллотропия углерода. Природа, 2003, № 8, с. 66
2. Lonsdaleite // Computational Physics Group [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://phycomp.technion.ac.il/, свободный. – Загл. с экрана.
3. Crystal Lattice Structures: The Hexagonal Diamond (Lonsdaleite) Structure // Center for Computational Materials Science [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://cst-www.nrl.navy.mil/, свободный. – Загл. с экрана.
4. LONSDALEITE // All Minerals of the World / Tous les mineraux de la terre // The EUROMIN project [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://euromin.w3sites.net/, свободный. – Загл. с экрана.
5. Allotropes of carbon: Lonsdaleite (hexagonal diamond) // The Free Encyclopedia [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://en.wikipedia.org/, свободный. – Загл. с экрана.
6. Lonsdaleite Mineral Data // Mineralogy Database [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://webmineral.com/, свободный. – Загл. с экрана.
7. Kathleen Lonsdale Biography // BookRags [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://understandingscience.ucc.ie/pages/sci_kathleenlonsdale.htm, свободный. – Загл. с экрана.
8. Kathleen Lonsdale - Famous Irish Scientist // Public Awareness and Understanding of Science [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.bookrags.com/biography/kathleen-lonsdale/, свободный. – Загл. с экрана.
9. Pan, Zicheng; Sun, Hong; Zhang, Yi; and Chen, Changfeng (2009). «Harder than Diamond: Superior Indentation Strength of Wurtzite BN and Lonsdaleite». Physical Review Letters 102
10. Шумилова Т.Г., Майер Е., Исаенко С.И. Монокристаллический лонсдейлит в регионально-метаморфизованных метасоматически изменённых породах // Минералогические перспективы: Материалы Международного минералогического семинара. Сыктывкар: ИГ Коми НЦ УрО РАН, 2011. 372 с. - с. 161.
11. Налетов А.М., Ножкина А.В. Лонсдейлит в наноалмазах // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника, технология его изготовления и применения. - № 14. - 2011. - с.195-201.
12. Clifford Frondel, Ursula B.Marvin. Lonsdaleite, a Hexagonal Polymorph of Diamond // Nature 214, 587 - 589 (06 May 1967)

Дополнительная информация, о гипотезе процесса формирования графита на кристаллах лонсдейлита:
"Микрокристалл лонсдейлита как промежуточная фаза при образовании гомогенных графитных зародышей" в статье С.В. Давыдова "Кристаллизация шаровидного графита в расплаве высокопрочного чугуна", опубликованной в журнале "Заготовительные производства в машиностроении", 2008, №3. Перейти к началу статьи >>

*Кратер Барринджера в Каньоне Дьявола или Аризонский кратер – это метеоритный кратер (другие названия: ударный кратер, астроблема) в Аризоне (США). Представляет собой гигантскую земляную чашу диаметром 1250 метров и глубиной около 175 метров. Кратер возник около 50 тысяч лет назад после падения 40 метрового метеорита, весившего 300 тысяч тонн и летящего со скоростью 12-(20) км/с. Взрыв от падения был в три раза мощнее взрыва Тунгусского метеорита и был аналогичен по мощности взрыву 20 миллионов тонн тринитротолуола или 1000 атомных бомб, аналогичных сброшенной на Хиросиму. Внутри и вокруг Аризонского кратера найдены осколки метеоритного никелистого железа. Подробнее можно почитать на официальном сайте кратера http://barringercrater.com/