Laboratorio Clave de Tecnología y Ciencia de Preparación de Materiales Metaestables de la Universidad de Yanshan, Han Ameng, Instituto de Ciencia y Tecnología, Wei Lintao
[Recientemente, el equipo del académico Tian Yongjun, del Laboratorio Clave de Tecnología y Ciencia de Preparación de Materiales Metaestables de la Universidad de Yanshan, en colaboración con investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Nanjing y la Universidad de Ningbo, ha logrado un avance significativo en el campo de los materiales superduros. Sintetizaron con éxito bloques de diamante gemelos nanocristalinos ultrafinos con una dureza de 276 GPa, estableciendo un nuevo récord mundial de dureza de materiales. La investigación, titulada "Enhancing the hardness of diamond through twin refinement and interlocked twins", se publicó en línea en Nature Synthesis el 3 de enero de 2025.
El diamante es el material natural más duro, ampliamente utilizado en sectores como el mecanizado, la prospección de petróleo y gas y los estudios geológicos. La dureza de los diamantes monocristalinos varía entre 60 y 120 GPa, dependiendo de la orientación del cristal. Los investigadores llevan tiempo estudiando cómo sintetizar diamantes de mayor dureza. El refinamiento del grano, un método clásico para mejorar la dureza del diamante, se ha topado con un cuello de botella a nanoescala: la energía excesivamente alta del límite del grano promueve el crecimiento del grano, lo que dificulta el refinamiento posterior y limita la mejora de la dureza.
Para superar este reto, el equipo del académico Tian Yongjun adoptó un enfoque diferente y fue pionero en el refinamiento de cristales maclados. En comparación con los bordes de grano convencionales, los bordes maclados tienen una energía de interfaz menor, lo que ofrece nuevas posibilidades para el refinamiento de materiales. Estudios anteriores del equipo confirmaron la viabilidad de este método: lograron sintetizar bloques de diamante con un grosor medio de macla de sólo 5 nanómetros, alcanzando una dureza de 200 GPa, el doble que la de los diamantes naturales.
En su último estudio, el equipo de investigación controló con precisión el tamaño del precursor de carbono en forma de cebolla y llevó a cabo una transformación de fase a alta presión, sintetizando con éxito bloques de diamante gemelos nanocristalinos ultrafinos con un rendimiento revolucionario. El tamaño medio de grano de los bloques era de 18 nanómetros, y el grosor medio de las maclas era de sólo 2,3 nanómetros, con una dureza que alcanzaba los 276 GPa. Las observaciones de microscopía electrónica revelaron la existencia de maclas pasantes y maclas entrelazadas en las muestras, siendo las maclas entrelazadas las dominantes. Experimentos comparativos confirmaron el papel fundamental de esta estructura. Los diamantes nanocristalinos fabricados a partir de polvo de diamante, aunque con granos igualmente pequeños (24 nanómetros), tenían una dureza de sólo 125 GPa debido a la ausencia de estructuras densas de maclas entrelazadas.
Este avance no sólo establece un nuevo récord de dureza, sino que también abre nuevas vías para superar los límites de dureza de los materiales covalentes. Al refinar y controlar las estructuras gemelas, el equipo de investigación ha sido pionero en un nuevo método para mejorar las propiedades de los materiales, lo que tiene importantes implicaciones orientativas para la investigación y el desarrollo futuros de materiales superduros.
Esta investigación ha sido financiada por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales (52288102, 52325203, 52090020), el Programa Nacional Clave de I+D (2018YFA0703400, 2023YFA1406200), la Fundación Provincial de Ciencias Naturales de Hebei (E2022203109, E2023203256, E2023203126) y otros proyectos. Ying Pan, Li Baozhong y Ma Mengdong, de la Universidad de Yanshan, son co-primeros autores, con Tong Ke, Zhao Zhisheng y Xu Bo como autores correspondientes; Pan Yilong (Universidad de Ningbo) y Tang Guodong (Universidad de Ciencia y Tecnología de Nanjing) son co-autores correspondientes.
Figura: Microestructura y dureza Vickers de diamantes gemelos nanocristalinos ultrafinos. a) Imagen STEM de campo claro que muestra la microestructura general de la muestra, con un recuadro que muestra la distribución estadística del tamaño de grano, con un tamaño de grano medio de 18 nm. b) Imágenes TEM de alta resolución que muestran las estructuras de macla características de la muestra: la imagen principal muestra las maclas de tipo entrelazado dominantes, y el recuadro muestra las maclas de tipo pasante observadas en una región local. c) Dureza en función del grosor de la macla basada en el modelo de dislocación y los datos experimentales de dureza, con el recuadro mostrando una imagen óptica de la muestra de diamante maclado nanocristalino ultrafino.
Fuente: Universidad de Yanshan