سنگ الماس ستاره‌ای HK
معرفی گونه‌ای نوظهور از سنگ الماس با منشأ فرازمینی در ایران
چکیده
این مقاله به معرفی گونه‌ای نادر از سنگ‌های الماس‌دار با منشأ فرازمینی می‌پردازد که برای نخستین‌بار در ایران توسط حسین کریمی شناسایی شده است. این سنگ که با عنوان «سنگ الماس ستاره‌ای HK» نام‌گذاری شده، یک سنگ چندفازی و کامپوزیتی است که عمدتاً از فاز الماس (شش‌گوش) و فاز سیلیکاتی (SiO₂) و همچنین مقدار کمی از فازهای غنی از عناصر فلزی و کاربیدی، از جمله الیوین و تیتانیوم کاربید (TiC) با ساختار کلی لایه‌ای و شش‌گوش تشکیل شده است.
تاکنون سه گونه‌ی رنگی از این سنگ شناسایی شده است: گونه‌ی تیره، با رنگ مشکی تا قهوه‌ای؛ گونه‌ی شفاف کبود یا دودی؛ و گونه‌ی شفاف بی‌رنگ. تفاوت این سه گونه عمدتاً به حضور و غلظت عناصر فلزی، میزان دگرسانی، درجه‌ی گرافیته‌شدن و نسبت نسبی نانوالماس به فازهای سیلیکاتی نسبت داده می‌شود.
تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، داده‌های طیف‌سنجی پراش انرژی پرتو ایکس (EDX) و طیف‌سنجی رامان، بر اساس تفسیر ارائه‌شده در این پژوهش، حضور گسترده‌ی فازهای کربنی و فازهای سیلیکاتی را نشان می‌دهند. نشانه‌های ظاهری عبور از جوّ زمین بر روی قطعات، در کنار مجموع شواهد و نتایج مطالعات آزمایشگاهی، محتمل‌ترین منشأ این سنگ را فرازمینی و نحوه‌ی تشکیل آن را به‌وسیله‌ی CVD کیهانی معرفی می‌کنند و فرایند تشکیل این نمونه با هیچ‌یک از فرایندهای تشکیل در سیاره‌ها، سیارک‌ها، ضربه‌های برخوردی و شوکی همخوانی ندارد.
۱. مقدمه
پیش از معرفی نمونه‌ی حاضر، دو گونه‌ی شاخص از مواد الماس‌دار طبیعی، یعنی الماس طبیعی شفاف و کربنادو یا «الماس سیاه»، بیش از سایر انواع شناخته شده بودند. سنگ مورد مطالعه از نظر برخی ویژگی‌های ظاهری به هر دو گروه شباهت دارد، اما بر اساس مشاهدات انجام‌شده، از نظر ترکیب، ریزساختار و نحوه‌ی آرایش فازهای تشکیل‌دهنده، تفاوت‌های قابل‌توجهی با آن‌ها نشان می‌دهد.
یکی از ویژگی‌های مورد توجه در این سنگ، تفاوت نحوه‌ی آرایش بلورک‌های الماس با آنچه برای کربنادو (الماس سیاه) توصیف می‌شود، است. در حالی که در کربنادو بلورک‌های الماس در مجموعه‌ای پلی‌کریستالی با جهت‌گیری‌های متنوع در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند، در الماس ستاره‌ای HK شواهدی از جهت‌گیری ترجیحی و هم‌راستایی بلورک‌ها مشاهده می‌شود. (۱، ۱۰)
الماس ستاره‌ای HK عمدتاً از کربن به‌صورت الماس و سیلیکات به‌صورت SiO₂ با نسبت‌های مختلف تشکیل شده است.
به دلیل وجود نشانه‌هایی از عبور از جوّ روی قطعات و عناصر نادر کیهانی مانند نانوالماس و تیتانیوم کاربید، تصور می‌شود این سنگ یک شهاب‌سنگ کربنی غنی از نانوالماس بوده که پس از ورود به جوّ زمین تحت تأثیر هم‌زمان فشار، دما و شوک مکانیکی قرار گرفته است.
نام‌گذاری این سنگ به «الماس ستاره‌ای HK» به دلیل منشأ ستاره‌ای و فرایندهای کیهانی مؤثر در تشکیل آن است. شواهد طیفی، ساختاری و حضور عناصر نادر کیهانی نظیر نانوالماس و تیتانیوم کاربید، همگی نشان‌دهنده‌ی شکل‌گیری این ماده در محیط‌های فرازمینی و ستاره‌ای می‌باشند.
۲. شکل، ساختار و عناصر تشکیل‌دهنده
الماس ستاره‌ای HK در سه گونه‌ی رنگی متفاوت مشاهده شده است. تفاوت میان این گونه‌ها، بر اساس داده‌های آزمایشگاهی موجود، عمدتاً به میزان دگرسانی حین سقوط، مقدار و نوع عناصر فلزی، نسبت SiO₂ به الماس و در نتیجه میزان بازآرایی ساختاری و گرافیته‌شدن مربوط می‌شود.
از دیدگاه سنگ‌شناسی، این نمونه یک سنگ شوک‌یافته‌ی چندفازی است. منظور از چندفازی بودن آن، حضور هم‌زمان چند فاز متفاوت کربنی، سیلیکاتی و فلزی در ساختار سنگ است. این فازها در کنار یکدیگر یک سامانه‌ی کامپوزیتی را تشکیل داده‌اند. از سوی دیگر دگرسانی ناشی از فشار، دما و شوک مکانیکی، هنگام سقوط به زمین باعث تخلخل و تغییر رنگ در سنگ شده است.
از نظر بلورشناسی، نمونه‌ها ساختار لایه‌ای با تقارن شش‌گوش (هگزاگونال) دارند. در برخی قطعه‌ها، آرایش بلورک‌ها دارای جهت‌گیری ترجیحی است و در برخی دیگر، به‌ویژه در نمونه‌ی شفاف بی‌رنگ، نظم بلندبرد مشاهده نمی‌شود. این ساختار در نمونه‌های مختلف از نظر میزان نظم و جهت‌گیری متفاوت است. (۱، ۹)
۲-۱. قطعه‌ی تیره (مشکی تا قهوه‌ای)
قطعه‌ی تیره دارای غلظت بالایی از فاز الماس نسبت به فاز سیلیکات SiO₂ است و در اشکال هندسی چندوجهی مشاهده شده است. در سطح این قطعه، الگوهای هندسی تکرارشونده، از جمله ساختارهای مثلثی با هندسه‌ی تریگونال، مشاهده می‌شود.
عناصر تشکیل‌دهنده
کربن، سیلیکون، اکسیژن، سدیم، کلسیم، آلومینیم، آهن، منگنز، منیزیم، کبالت، تیتانیوم، کروم و پتاسیم.
ساختار و ویژگی‌ها
قطعه‌ی تیره یک سنگ شوک‌یافته‌ی پلی‌کریستال متخلخل، با ساختار لایه‌ای و با تقارن شش‌گوش می‌باشد. بلورک‌ها در این نمونه دارای نظم ترجیحی (نظم بلندبرد) هستند.
سختی این قطعه در مقیاس موس ۱۰ است و فلورسانس قابل‌توجهی ندارد.
علت رنگ تیره
نسبت بالای کربن به سیلیکات SiO₂ و حضور عناصر فلزی، به‌ویژه منیزیم، آهن و کبالت، به‌عنوان عوامل مؤثر در ایجاد رنگ تیره‌ی این نمونه می‌باشند. عناصر فلزی می‌توانند در شرایط فشار و دمای بالای هنگام سقوط به زمین، نقش کاتالیزگری داشته باشند و تبدیل بخشی از نانوالماس به فازهای کربنی sp²، از جمله گرافیت، را تسهیل کرده باشند.
۲-۲. قطعه‌ی شفاف کبود / دودی
این قطعه از نظر ساختار کلی شباهت زیادی به نمونه‌ی تیره دارد، اما بر اساس ترکیب شیمیایی، مشاهدات میکروسکوپی و طیفی، درجه‌ی دگرسانی و گرافیته‌شدن آن بسیار کمتر است.
عناصر تشکیل‌دهنده
کربن، سیلیکون و اکسیژن، همچنین مقادیر بسیار اندکی از عناصر فلزی مانند آهن، آلومینیوم، منیزیم و تیتانیوم نیز مشاهده شده است.
ساختار و ویژگی‌ها
قطعه‌ی کبود یک سنگ شوک‌یافته‌ی پلی‌کریستال متخلخل، با ساختار لایه‌ای و با تقارن شش‌گوش می‌باشد. نظم بلوری و دگرسانی در این قطعه نسبت به نمونه‌ی تیره کمتر و محدودتر است. سختی این نمونه ۱۰ در مقیاس موس و فلورسانس آن آبی است.
علت رنگ کبود / دودی
نسبت تقریباً برابر کربن، عمدتاً به‌صورت الماس، به سیلیکات SiO₂ و حضور محدود عناصر فلزی، همچنین وجود نواحی موضعی گرافیته‌شده، در ایجاد رنگ کبود یا دودی نقش مهمی داشته‌اند.
۲-۳. قطعه‌ی شفاف بی‌رنگ
این نمونه دارای شکل کلی بیضوی است و در سطح شکست آن، ساختارهای بلوری متفاوت و نواحی آمورف قابل مشاهده است.
عناصر تشکیل‌دهنده
کربن، سیلیکون و اکسیژن.
ساختار و ویژگی‌ها
این قطعه در مقایسه با دو نمونه‌ی دیگر فاقد نظم بلندبرد مشخص است و به‌صورت یک پلی‌کریستال چندفازی دیده می‌شود. سختی این قطعه ۱۰ در مقیاس موس و فلورسانس آن آبی می‌باشد.
علت بی‌رنگی
عناصر فلزی و نسبت فاز الماس به فاز سیلیکات از عوامل مهم در تعیین سرعت و شدت بازآرایی ساختاری و دگرسانی هستند؛ به‌گونه‌ای که افزایش حضور فازهای فلزی و افزایش سهم فاز الماس می‌تواند با افزایش میزان بازآرایی و دگرسانی همراه باشد. در این قطعه، نبود یا ناچیز بودن عناصر فلزی، همراه با غلظت بالاتر SiO₂ نسبت به کربن (نانوالماس)، موجب شده است که این نمونه کمترین میزان دگرسانی و بازآرایی بلوری را در میان سه گونه نشان دهد.
جمع‌بندی سه قطعه
بررسی سه گونه‌ی رنگی الماس ستاره‌ای HK نشان می‌دهد که تفاوت‌های ساختاری، ترکیبی و نوری آن‌ها، نتیجه‌ی مستقیم تغییر در نسبت الماس به سیلیکات، غلظت عناصر فلزی کاتالیزگر و شدت دگرسانی ناشی از شوک حین ورود به جوّ زمین است.
قطعه‌ی تیره، با بالاترین نسبت کربن به سیلیکات و بیشترین غلظت فلزات، بیشترین درجه‌ی بازآرایی و گرافیته‌شدن را تجربه کرده است. قطعه‌ی دودی با نسبت متعادل، حالت میانی را نشان می‌دهد و قطعه‌ی شفاف بی‌رنگ، با کمترین میزان فلزات و بالاترین نسبت سیلیکات، ساختار اولیه‌ی خود را به‌خوبی حفظ کرده است.
این تنوع رنگی و ساختاری، گویای ناهمگونی محیط تشکیل اولیه یا تفاوت در شدت شرایط شوک وارده بر هر قطعه می‌باشد.
۳. منشأ و نحوه‌ی تشکیل
بر اساس شواهد طیفی، ساختاری و مطالعات تطبیقی ارائه‌شده، منشأ فرازمینی برای سنگ الماس ستاره‌ای HK پیشنهاد می‌شود و محتمل‌ترین نحوه‌ی تشکیل اولیه‌ی آن به فرایند CVD کیهانی یا رسوب‌دهی شیمیایی بخار در مقیاس کیهانی نسبت داده می‌شود.
این سنگ نمی‌تواند حاصل فرایندهای تشکیل در سیارات یا سیارک‌ها باشد، زیرا ساختار لایه‌ای با تقارن شش‌گوشه، و ابعاد بزرگ قطعات، در حد چند سانتی‌متر، با هیچ‌یک از مدل‌های شناخته‌شده‌ی تشکیل الماس در گوشته‌ی زمین، شهاب‌سنگ‌های اوریلایتی یا فرایندهای شوکی سیارکی سازگاری ندارد. برای مثال در فرایندهای شوکی و ضربه، الماس‌های بسیار کوچک (میکرومتری) تشکیل می‌شوند نه چند سانتی‌متری، بنابراین فرایند CVD کیهانی محتمل‌ترین سناریو برای تشکیل اولیه‌ی این سنگ محسوب می‌شود. (۵)
شباهت میان ریزساختار و طیف رامان این سنگ با برخی نانوالماس‌های شهاب‌سنگی و همچنین نمونه‌های سنتزشده در آزمایشگاه به روش CVD، یکی از شواهد مؤید این سناریو در نظر گرفته شده است. (۲)
تصور می‌شود تشکیل اولیه‌ی سنگ در محیط‌های غنی از کربن، مانند جوّ ستارگان AGB یا دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای، رخ داده است. در این محیط‌ها، گونه‌های گازی حاوی عناصر مختلف می‌توانند بر روی ذرات غبار یا هسته‌های جامد متراکم شوند و به‌صورت متوالی لایه‌هایی از ترکیبات مختلف را ایجاد کنند. در نتیجه‌ی این فرایند، یک ساختار لایه‌ای یا اصطلاحاً ساندویچی شکل گرفته است.
پس از تشکیل اولیه، این مواد در اثر برخوردهای کیهانی از محیط تشکیل خود جدا شده و وارد فضای میان‌سیاره‌ای شده‌اند. در مرحله‌ی بعد، ورود آن‌ها به جوّ زمین موجب اعمال شوک حرارتی و مکانیکی شده است.
۴. مطالعات آزمایشگاهی
۴-۱. SEM-EDX قطعه‌ی تیره
| عنصر | Apparent Conc. | k Ratio | Wt% | Wt% Sigma | Atomic % |
|---|---|---|---|---|---|
| C | 1.22 | 0.01222 | 35.69 | 0.34 | 48.85 |
| O | 4.43 | 0.01492 | 32.07 | 0.24 | 32.95 |
| Na | 0.41 | 0.00174 | 2.10 | 0.05 | 1.50 |
| Mg | 0.07 | 0.00049 | 0.48 | 0.03 | 0.33 |
| Al | 0.54 | 0.00385 | 3.47 | 0.05 | 2.11 |
| Si | 3.16 | 0.02504 | 21.03 | 0.15 | 12.31 |
| S | 0.03 | 0.00026 | 0.23 | 0.03 | 0.12 |
| Cl | 0.10 | 0.00091 | 0.79 | 0.04 | 0.36 |
| K | 0.12 | 0.00099 | 0.81 | 0.04 | 0.34 |
| Ca | 0.15 | 0.00137 | 1.09 | 0.05 | 0.45 |
| Ti | 0.03 | 0.00034 | 0.29 | 0.05 | 0.10 |
| Cr | 0.00 | 0.00005 | 0.04 | 0.05 | 0.01 |
| Fe | 0.21 | 0.00209 | 1.83 | 0.10 | 0.54 |
| Co | 0.01 | 0.00009 | 0.08 | 0.09 | 0.02 |
| Total | 100.00 | 100.00 |
تصاویر SEM
سطح نمونه
در این تصویر SEM، بلورک‌ها دارای جهت‌گیری ترجیحی هستند.
این تصویر همان تصویر قبل است، با این تفاوت که با استفاده از خطوط راهنما، آرایش منظم بلورک‌های شوک‌خورده مشخص شده است.
تصاویر SEM از سطح اچ‌شده‌ی نمونه
تخلخل‌های مشاهده‌شده در تصاویر SEM به‌خاطر واکنش عناصر سطحی نانوالماس ایجاد شده‌اند. شوک حرارتی و فشار هنگام سقوط باعث شده است عناصر سطحی نانوالماس‌ها، مانند اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن، هیدروکربن‌ها و مواد آلی، موجب تولید گازها و بخار آب شوند. خروج انفجاری این گازها و بخارات از سنگ باعث به‌وجود آمدن این تخلخل‌ها شده است.
در تصاویر SEM، بلورک‌های الماسی با ساختار شش‌گوش مشاهده می‌شوند. (۹)
۴-۲. SEM-EDX قطعه‌ی کبود / دودی
در این قطعه، یک ناحیه‌ی موضعی گرافیته‌شده مورد بررسی قرار گرفته است. تصاویر SEM و نتایج EDX نشان‌دهنده‌ی گرافیته‌شدن موضعی فاز الماسی شش‌گوشه در مجاورت سیلیکات‌های غنی از فلز، نظیر الیوین، می‌باشد.
مشاهدات با میکروسکوپ نوری نشان می‌دهند که این نقاط موضعی گرافیته‌شده در طی بازآرایی بلوری و جدایش فازی هنگام فشار و حرارت ناشی از سقوط، کشیده و پیچیده شده و به گرافن و رشته‌های کربنی تبدیل شده‌اند.
تصویر SEM ناحیه‌ی موضعی گرافیته‌شده
تصویر میکروسکوپی از گرافیته‌شدن موضعی در مجاورت سیلیکات‌های فلزی
۴-۳. SEM-EDX قطعه‌ی شفاف
| عنصر | Apparent Conc. | k Ratio | Wt% | Wt% Sigma | Atomic % | فاز |
|---|---|---|---|---|---|---|
| C | 0.21 | 0.00208 | 18.92 | 0.55 | 28.29 | C |
| O | 3.55 | 0.01194 | 41.13 | 0.36 | 46.17 | SiO₂ |
| Si | 4.31 | 0.03414 | 39.95 | 0.33 | 25.55 | SiO₂ |
| Total | 100.00 | 100.00 |
تصاویر SEM
نمای کلی این قطعه، ساختاری پلی‌کریستالی همراه با پلی‌تیپ‌های مختلف و ناحیه آمورف را نشان می‌دهد. این ویژگی می‌تواند بیانگر بازآرایی بلوری ناقص و سردشدن سریع باشد. در این نمونه، به دلیل درجه‌ی پایین‌تر دگرسانی، بخش بیشتری از ساختار اولیه قابل مشاهده باقی مانده است.
جوانه‌زنی نانوالماس در بستر SiO₂
در تصاویر SEM تهیه‌شده از بخش آمورف این نمونه، پدیده‌ی جوانه‌زنی نانوالماس‌ها بر روی بستر سیلیکاتی مشاهده می‌شود. (۶، ۷، ۱۱)
این جوانه‌زنی به شوک‌های ثانویه نسبت داده می‌شود. هنگامی که شوک حرارتی ناشی از سقوط به لایه‌های سیلیکاتی غنی از کربن وارد می‌شود، اتم‌های کربن موجود در ساختار آمورف می‌توانند تحرک بیشتری پیدا کنند. در حضور نقص‌های ساختاری و نقاط مناسب هسته‌زایی، این اتم‌ها قادر به تشکیل هسته‌های جدید کربنی با ساختار الماسی خواهند بود. بستر SiO₂ با فراهم کردن محیطی دارای تحرک اتمی و تعداد زیادی از نقاط بالقوه‌ی هسته‌زایی، جوانه‌زنی نانوالماس‌ها را تسهیل می‌کند. (۶، ۷، ۱۱، ۱۳)
۵. طیف‌سنجی رامان
۵-۱. قطعه‌ی شفاف
طیف رامان قطعه‌ی شفاف حضور چندین مؤلفه یا فاز مختلف را نشان می‌دهد:
- پیک حدود 473 cm⁻¹ به فاز سیلیکات (SiO₂) نسبت داده می‌شود.
- پیک حدود 1332 cm⁻¹ به فاز الماس نسبت داده می‌شود و نشان‌دهنده‌ی فاز کربنی با ساختار الماسی است. (۲، ۴)
- باند پهن در محدوده‌ی 1500 تا 1560 cm⁻¹ به کربن گرافیتی یا کربن دارای هیبریداسیون sp² نسبت داده می‌شود و می‌تواند بیانگر وجود پوسته‌های نازک گرافیتی یا کربن بی‌نظم در اطراف نانوالماس‌ها باشد. (۲، ۴)
- پیک‌های حدود 2920 تا 2960 cm⁻¹ به ارتعاشات C-H در هیدروکربن‌ها نسبت داده می‌شوند. (۲، ۸)
- پیک حدود 1140 cm⁻¹ به فاز ترانس‌پلی‌استیلن در مرز دانه‌ها نسبت داده می‌شود و یکی از ویژگی‌های الماس ساخته‌شده به روش فرایند CVD محسوب می‌شود. (۴، ۱۲)
۵-۲. قطعه‌ی تیره
- پیک حدود 473 cm⁻¹ مربوط به فاز سیلیکاتی (SiO₂) است.
- پیک حدود 1332 cm⁻¹ مربوط به فاز الماس است. (۲، ۴)
- پیک حدود 1350 cm⁻¹، باند D، مربوط به کربن sp² بی‌نظم و ساختارهای گرافیتی دارای نقص است. افزایش شدت این باند نسبت به نمونه‌ی شفاف، در مدل حاضر به‌عنوان نشانه‌ای از گرافیته‌شدن بیشتر تفسیر می‌شود. (۲، ۴)
- پیک حدود 1580 تا 1600 cm⁻¹، باند G، مربوط به کربن sp² و ساختارهای گرافیتی با نظم بیشتر است. (۲، ۴)
- پیک حدود 2930 cm⁻¹ مربوط به ارتعاشات C-H در هیدروکربن‌ها می‌باشد. (۸)
- پیک حدود 1140 cm⁻¹ به فاز ترانس‌پلی‌استیلن در مرز دانه‌ها نسبت داده می‌شود و یکی از ویژگی‌های الماس ساخته‌شده به روش فرایند CVD محسوب می‌شود. (۴، ۱۲)
زمینه‌ی فلورسانس بسیار بالا در تفسیر حاضر به حضور بیشتر عناصر فلزی، از جمله آهن، کبالت، تیتانیوم و کروم، و همچنین کربن بی‌نظم نسبت داده می‌شود.
۵-۳. جمع‌بندی نتایج رامان
مقایسه‌ی طیف‌های رامان دو نمونه نشان می‌دهد که قطعه‌ی تیره در مقایسه با قطعه‌ی شفاف، فاز الماسی بیشتری نسبت به فاز سیلیکاتی و شواهد بیشتری از کربن sp² و گرافیته‌شدن دارد. همچنین، زمینه‌ی فلورسانس و مؤلفه‌های مربوط به هیدروکربن‌های سطحی در این نمونه بیشتر است. در هر دو نمونه، پیک حدود 1140 cm⁻¹ نیز مشاهده می‌شود که به ترانس‌پلی‌استیلن در مرز دانه‌ها نسبت داده شده و در الماس‌های نانوبلوری حاصل از فرایند CVD نیز گزارش شده است. (۴، ۱۲) در مجموع، این ویژگی‌های طیفی با نمونه‌ها با نانوالماس‌های شهاب‌سنگی و الماس‌های تولیدشده به روش CVD مطابقت دارد. (۲، ۴)
۶. مدل پیشنهادی تشکیل و شواهد فرایند CVD کیهانی
بر اساس نشانه‌های عبور از جوّ زمین روی سطح قطعات و نتایج داده‌های طیف‌سنجی رامان، آنالیز عنصری EDX، مشاهدات ساختاری و تصاویر میکروسکوپ الکترونی از سطح و بافت اچ‌شده، محتمل‌ترین سناریو برای تشکیل الماس ستاره‌ای HK، فرایند CVD کیهانی می‌باشد و با هیچ‌کدام از فرایندهای تشکیل در سیاره و سیارک‌ها همخوانی ندارد. همچنین، به دلیل ابعاد بزرگ قطعات و ساختار بلوری منظم آن‌ها، حتی با فرایندهای شوکی و ضربه‌ای نیز قابل توجیه نیست.
این سناریو بر اساس سه دسته شواهد اصلی استوار است:
- شواهد طیفی مرتبط با محیط‌های کیهانی: شباهت‌های طیف رامان با برخی نانوالماس‌های شهاب‌سنگی، از جمله نمونه‌ی Kapoeta، و شباهت به الماس‌های ساخته‌شده در آزمایشگاه به وسیله‌ی فرایند رسوب بخار شیمیایی.
- تفاوت‌های ساختاری نمونه با مدل‌های متداول تشکیل الماس: تفاوت ساختاری نمونه با مدل‌های متداول تشکیل الماس در فرایندهای شوکی یا سیاره‌ای.
- ساختار لایه‌ای منظم: ساختار لایه‌ای منظم شامل هسته، سیلیکات و الماس که به‌عنوان یکی از ویژگی‌های تشکیل به‌وسیله‌ی فرایند CVD کیهانی محسوب می‌شود.
استدلال اول: شواهد طیفی و تطابق با یافته‌های محققین در مقالات داوری‌شده
مطالعات اخترفیزیکی و طیف‌سنجی فضایی، حضور نانوالماس‌ها را در محیط‌های میان‌ستاره‌ای تأیید کرده‌اند. به‌عنوان مثال، شناسایی باند جذبی حدود 3.53 میکرومتر در طیف ستارگان Herbig Ae/Be، به‌عنوان یکی از شواهد مستقیم برای حضور نانوالماس‌ها در دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای و محیط‌های غنی از کربن مطرح شده است. این یافته‌ها نشان می‌دهند که نانوالماس‌ها می‌توانند از طریق فرایندهای رسوب‌دهی فاز گاز بر روی ذرات غبار شکل بگیرند. (۳)
از سوی دیگر، مطالعه‌ی Garai و همکاران (2006) که در The Astrophysical Journal منتشر شده است، ارتباط طیفی میان کربنادو، الماس‌های ساخته‌شده به روش CVD و برخی الماس‌های پیش‌خورشیدی را مورد بررسی قرار داده است. این پژوهش نشان می‌دهد که کربنادوها دارای طیف فروسرخی با شباهت کامل به الماس‌های CVD و الماس‌های پیش‌خورشیدی هستند. (۸)
همچنین، مطالعه‌ی نانوالماس‌های موجود در شهاب‌سنگ Kapoeta نشان داده است که این نانوالماس‌ها دارای ویژگی‌های طیفی مشابه با نمونه‌های CVD کیهانی هستند و حضور هم‌زمان پیک‌های مربوط به الماس، گرافیت و هیدروکربن‌های سطحی در آن‌ها، گویای تشکیل در محیط‌های غنی از کربن و هیدروژن می‌باشد. (۲)
طیف رامان نمونه، علاوه بر پیک اصلی الماس در حدود 1332 cm⁻¹، باندهای D و G مربوط به کربن sp²، پیک حدود 1140 cm⁻¹ و هیدروکربن‌های جذب‌شده در سطح، که در پیک‌های حدود 2900 تا 2960 cm⁻¹ مشاهده شده‌اند، همگی می‌توانند از ویژگی‌های بارز الماس‌های تشکیل‌شده در فرایند CVD باشند. (۲، ۴، ۸، ۱۲)
بنابراین، داده‌های طیفی نمونه‌ی مورد مطالعه، با یافته‌های محققین در مورد نانوالماس‌های فرازمینی و نمونه‌های CVD همخوانی کامل دارد و فرایند CVD کیهانی را به‌عنوان محتمل‌ترین سناریوی تشکیل تأیید می‌کند.
استدلال دوم: ناسازگاری با مدل‌های شوکی و سیاره‌ای
ساختار لایه‌ای، حضور فاز سیلیکاتی SiO₂ در کنار فاز الماس و ویژگی‌های مشاهده‌شده بیانگر این است که این سنگ نمی‌تواند حاصل فرایندهای شوکی و سیاره‌ای باشد.
مطالعات انجام‌شده بر روی شهاب‌سنگ‌های اوریلایتی نیز نشان داده‌اند که الماس‌های حاصل از فرایندهای شوکی می‌توانند در ابعاد بسیار کوچک تشکیل شوند؛ با این حال این سنگ اندازه چند سانتی دارد و ساختار آن به‌گونه‌ای است که تشکیل اولیه‌ی آن در یک محیط کیهانی و از طریق فرایند CVD محتمل‌تر است. (۵)
استدلال سوم: ساختار لایه‌ای منظم (هسته، سیلیکات SiO₂، الماس)
یکی از مهم‌ترین شواهد تأییدکننده‌ی سناریوی CVD کیهانی، ساختار لایه‌ای منظم مشاهده‌شده در قطعات تیره و همچنین تصاویر از مقطع اچ‌شده‌ی قطعه‌ی کبود (دودی) است. این ساختار شامل سه لایه‌ی متمایز می‌باشد:
- هسته‌ی مرکزی: هسته‌ی مرکزی به‌عنوان قالب رشد (Templating Agent) عمل کرده و ساختار کلی سنگ را تعیین نموده است.
- لایه‌ی شفاف میانی: این لایه اطراف هسته را پوشانده و عمدتاً از فاز سیلیکاتی SiO₂ تشکیل شده است که در طیف رامان با پیک 473 cm⁻¹ قابل شناسایی است. این لایه به‌عنوان بستری برای هسته‌زایی و رشد لایه‌ی الماسی عمل کرده است. (۶، ۷، ۱۱)
- لایه‌ی تیره‌ی بیرونی: این لایه شامل فاز الماسی می‌باشد که در اثر شوک حرارتی و مکانیکی ناشی از ورود به جوّ زمین، به‌صورت موضعی گرافیته شده است.
این ساختار یکی از ویژگی‌های کلیدی تشکیل به‌وسیله‌ی فرایند CVD کیهانی محسوب می‌شود، زیرا:
- در فرایند CVD آزمایشگاهی، رشد لایه‌لایه بر روی یک زیرلایه (هسته) با تشکیل فازهای میانی، مانند سیلیکات‌ها، انجام می‌شود که زمینه‌ساز رشد الماس هستند. (۶)
- تحقیقات روی الماس‌های پیش‌خورشیدی و نانوالماس‌های شهاب‌سنگ‌ها نیز ساختارهای لایه‌ای مشابهی را گزارش کرده‌اند که به فرایندهای رسوب بخار شیمیایی در محیط‌های کیهانی نسبت داده می‌شوند.
- وجود هسته‌ی فلزی و لایه‌ی سیلیکاتی میانی، دقیقاً مطابق با مکانیسم هسته‌زایی بر روی بسترهای فلزی در فرایند CVD است. در این مکانیسم، ابتدا یک لایه‌ی واسط از کربن غیربلوری یا سیلیکات روی فلز تشکیل شده و سپس رشد الماس بر روی آن آغاز می‌شود.
بنابراین، ساختار لایه‌ای منظم شامل هسته، سیلیکات و الماس که در ساختار مشاهده می‌شود، به‌عنوان یک شاهد مستقل و قوی، سناریوی CVD کیهانی را تأیید کرده و با هیچ‌یک از مدل‌های تشکیل شوکی یا سیاره‌ای قابل توجیه نیست.
۷. بلورشناسی
سنگ ستاره‌ای HK از دیدگاه بلورشناسی، یک سامانه‌ی کامپوزیتی پلی‌کریستال با فاز اصلی الماس است که به‌صورت لایه‌لایه و اپیتکسیال بر روی زیرلایه‌های سیلیکاتی با تقارن شش‌گوشه رشد کرده است. در این ساختار، فاز الماسی به‌عنوان لایه‌های سخت و فاز سیلیکاتی به‌عنوان زیرلایه‌های میانی عمل می‌کنند و این آرایش لایه‌ای، با نظم بلندبرد و هم‌راستایی مشخص، ساختار نهایی سنگ را تشکیل داده است.
مهم‌ترین ویژگی بلورشناسی این سنگ، ساختار اپیتکسیال (Epitaxial Structure) آن است. به این معنا که فاز الماسی بر روی زیرلایه‌ی سیلیکاتی با تقارن شش‌گوشه (هگزاگونال) رشد کرده و از ساختار و جهت‌گیری زیرلایه پیروی نموده است. این رشد هم‌جهت (Co-oriented Growth) باعث شده است که بلورک‌های الماس، به‌ویژه در نمونه‌های تیره، دارای نظم بلندبرد و هم‌راستایی باشند و در امتداد یک جهت‌گیری بلورشناسی مشخص قرار گیرند.
به عبارت دیگر، هسته‌ی فلزی (منیزیمی یا آلومینیومی)، با تقارن شش‌گوشه، به‌عنوان قالب بلوری (Templating Agent) عمل کرده و تقارن و جهت‌گیری خود را به لایه‌های سیلیکاتی و سپس به فاز الماسی منتقل کرده است. این انتقال قالب از هسته به لایه‌های بعدی، عامل اصلی ایجاد نظم بلندبرد و ساختار اپیتکسیال در این سنگ می‌باشد.
این ویژگی، سنگ ستاره‌ای HK را از کربنادو که بلورک‌های الماس در آن به‌صورت تصادفی و بدون هرگونه نظم بلندبرد قرار گرفته‌اند، به‌وضوح متمایز می‌سازد. (۱، ۱۰)
بنابراین، سنگ ستاره‌ای HK نه یک بلور منفرد، بلکه مجموعه‌ای از لایه‌های الماسی و سیلیکاتی با ساختار اپیتکسیال و با تقارن شش‌گوش می‌باشد.
۸. نتیجه‌گیری نهایی
سنگ الماس ستاره‌ای HK یک سامانه‌ی چندفازی، پلی‌کریستالی و لایه‌ای است که در بررسی‌های انجام‌شده، از نظر ترکیب، ساختار بلوری، ریزساختار و ویژگی‌های طیفی، تفاوت‌های مشخصی با الماس طبیعی شفاف و الماس سیاه کربنادو نشان می‌دهد.
بررسی‌های انجام‌شده بر روی سه گونه‌ی رنگی شامل قطعه‌ی تیره، قطعه‌ی شفاف کبود یا دودی و قطعه‌ی شفاف بی‌رنگ، نشان می‌دهد که تفاوت در رنگ، شفافیت، میزان گرافیته‌شدن، نظم بلوری و ویژگی‌های نوری این نمونه‌ها با تفاوت در نسبت نانوالماس به SiO₂، حضور و غلظت عناصر فلزی و میزان دگرسانی ارتباط مستقیم دارد.
قطعه‌ی تیره دارای بیشترین میزان نانوالماس، بیشترین غلظت عناصر فلزی و بیشترین شواهد گرافیته‌شدن است. قطعه‌ی کبود یا دودی حالت میانی را نشان می‌دهد و دارای نواحی موضعی گرافیته‌شده در مجاورت فازهای غنی از فلز می‌باشد. قطعه‌ی شفاف بی‌رنگ نیز با توجه به مقدار بسیار کم عناصر فلزی و غلظت بالاتر SiO₂، کمترین میزان دگرسانی و بازآرایی ساختاری را نشان می‌دهد.
داده‌های SEM و EDX، وجود ساختار پلی‌کریستالی، لایه‌ای، متخلخل و فازهای مختلف کربنی و سیلیکاتی را نشان می‌دهند. در نمونه‌های تیره، جهت‌گیری ترجیحی و آرایش منظم بلورک‌ها مشاهده شده است. در نمونه‌ی شفاف نیز جوانه‌زنی نانوالماس بر روی بستر SiO₂ مشاهده شده است.
نتایج طیف‌سنجی رامان نیز حضور هم‌زمان فاز الماسی، کربن sp²، کربن گرافیتی یا بی‌نظم، هیدروکربن‌ها و ترانس‌پلی‌استیلن را نشان می‌دهد. وجود پیک الماس در حدود 1332 cm⁻¹، باندهای D و G، پیک حدود 1140 cm⁻¹ و پیک‌های مربوط به ارتعاشات C-H، در کنار شباهت‌های طیفی با نانوالماس‌های شهاب‌سنگی و نمونه‌های CVD، از مهم‌ترین شواهد طیفی مورد بررسی در این پژوهش هستند.
ساختار لایه‌ای منظم شامل هسته، لایه‌ی سیلیکاتی و لایه‌ی الماسی، یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های ساختاری سنگ الماس ستاره‌ای HK محسوب می‌شود. در مدل ارائه‌شده، هسته‌ی اولیه به‌عنوان Templating Agent عمل کرده و ساختار و جهت‌گیری خود را به لایه‌های بعدی منتقل کرده است.
بر اساس مجموعه‌ی شواهد ساختاری، طیفی و عنصری، تشکیل اولیه‌ی سنگ در یک محیط فرازمینی و از طریق فرایند CVD کیهانی، در این پژوهش به‌عنوان محتمل‌ترین مدل تشکیل معرفی می‌شود. بر اساس این مدل، ساختار اصلی سنگ در محیط کیهانی شکل گرفته و پس از جدا شدن از محیط تشکیل، وارد فضای میان‌سیاره‌ای شده و در نهایت با ورود به جوّ زمین تحت تأثیر فشار، دما و شوک مکانیکی قرار گرفته است.
در این فرایند، حرارت و فشار ناشی از ورود به جوّ و سقوط به سطح زمین موجب ایجاد تخلخل‌ها، گرافیته‌شدن موضعی و بخشی از بازآرایی‌های ساختاری در سنگ شده است.
بر این اساس، ویژگی‌های مشاهده‌شده در سنگ الماس ستاره‌ای HK، از جمله وجود فازهای الماسی، ساختار لایه‌ای شش‌گوش، جهت‌گیری ترجیحی بلورک‌ها، حضور SiO₂، فازهای فلزی و کاربیدی، شواهد گرافیته‌شدن موضعی، جوانه‌زنی نانوالماس بر روی بستر سیلیکاتی و ویژگی‌های طیف رامان، مجموعه‌ای از شواهد مرتبط را تشکیل می‌دهند که مدل منشأ فرازمینی و تشکیل اولیه از طریق CVD کیهانی را پشتیبانی می‌کنند.
در نتیجه، سنگ الماس ستاره‌ای HK به‌عنوان یک گونه‌ی جدید و متمایز از مواد الماس‌دار، دارای ویژگی‌های ساختاری و ترکیبی منحصربه‌فرد معرفی می‌شود که آن را از الماس طبیعی و کربنادو متمایز می‌کند.
مطالعات تکمیلی بر روی قطعات و داده‌های آزمایشگاهی ادامه دارد.
فهرست منابع
[1] Piazolo, S., Kaminsky, F. V., Trimby, P., Evans, L., & Luzin, V. (2016). Carbonado revisited: Insights from neutron diffraction, high resolution orientation mapping and numerical simulations. Lithos, 265, 244–256. DOI: 10.1016/j.lithos.2016.09.011.
[2] Abdu, Y. A. (2021). Raman micro-spectroscopy of nanodiamonds from the Kapoeta meteorite. Diamond and Related Materials, 118, 108536. DOI: 10.1016/j.diamond.2021.108536.
[3] Acke, B., & van den Ancker, M. E. (2006). A survey for nanodiamond features in the 3 micron spectra of Herbig Ae/Be stars. Astronomy & Astrophysics, 457, 171–181. DOI: 10.1051/0004-6361:20065612.
[4] Pfeiffer, R., Kuzmany, H., Salk, N., & Günther, B. (2003). Evidence for trans-polyacetylene in nanocrystalline diamond films from H–D isotopic substitution experiments. Applied Physics Letters, 82, 4149–4150. DOI: 10.1063/1.1582352.
[5] Nestola, F., Goodrich, C. A., Morana, M., Barbaro, A., Jakubek, R. S., Christ, O., Brenker, F. E., Domeneghetti, M. C., Dalconi, M. C., Alvaro, M., Fioretti, A. M., Litasov, K. D., Fries, M. D., Leoni, M., Casati, N. P. M., Jenniskens, P., & Shaddad, M. H. (2020). Impact shock origin of diamonds in ureilite meteorites. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117(41), 25310–25318. DOI: 10.1073/pnas.1919067117.
[6] Rankin, J., Jacobson, M. W., Boekenhauer, R. E., Csencsits, R., Shisesato, Y., & Sheldon, B. W. (1994). Nucleation and growth during the chemical vapor deposition of diamond on SiO₂ substrates. Journal of Materials Research, 9(8), 2164–2173. DOI: 10.1557/JMR.1994.2164.
[7] Lee, H.-J., Jeon, H., & Lee, W.-S. (2012). Synergistic Interaction between Substrate and Seed Particles in Ultrathin Ultrananocrystalline Diamond Film Nucleation on SiO₂ with Controlled Surface Termination. The Journal of Physical Chemistry C, 116(16), 9180–9188. DOI: 10.1021/jp2117328.
[8] Garai, J., Haggerty, S. E., Rekhi, S., & Chance, M. (2006). Infrared Absorption Investigations Confirm the Extraterrestrial Origin of Carbonado-Diamonds. The Astrophysical Journal, 653(2), L153–L156. DOI: 10.1086/510451.
[9] Smith, D. C., & Godard, G. (2009). UV and VIS Raman spectra of natural lonsdaleites: Towards a recognised standard. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 73(3), 428–435. DOI: 10.1016/j.saa.2008.10.025.
[10] De, S., Heaney, P. J., Hargraves, R. B., Vicenzi, E. P., & Taylor, P. T. (1998). Microstructural observations of polycrystalline diamond: A contribution to the carbonado conundrum. Earth and Planetary Science Letters, 164(3–4), 421–433. DOI: 10.1016/S0012-821X(98)00229-5.
[11] Yoshikawa, T., Zuerbig, V., Gao, F., Hoffmann, R., Nebel, C. E., Ambacher, O., & Lebedev, V. (2015). Appropriate Salt Concentration of Nanodiamond Colloids for Electrostatic Self-Assembly Seeding of Monosized Individual Diamond Nanoparticles on Silicon Dioxide Surfaces. Langmuir, 31(19), 5319–5325. DOI: 10.1021/acs.langmuir.5b01060.
[12] Kuzmany, H., Pfeiffer, R., Salk, N., & Günther, B. (2004). The mystery of the 1140 cm⁻¹ Raman line in nanocrystalline diamond films. Carbon, 42(5–6), 911–917. DOI: 10.1016/j.carbon.2003.12.045.
[13] Siby, A., Bhakta, A., Jeevan, J., Sun, X., Decorse, P., Ammar, S., Hassouni, K., & Prasanna, S. (2025). Nucleation of nanodiamonds in H-atom rich microplasma. Diamond and Related Materials, 152, 111933. DOI: 10.1016/j.diamond.2024.111933.
دیدگاهتان را بنویسید