Zweischichtiges Graphen bildet bei starker Kompression reversibel einen Film mit einer mit Diamant vergleichbaren Quersteifigkeit und ist zudem resistent gegen Durchstiche durch Diamant. Eine solche Umwandlung kann bei Raumtemperatur durchgeführt werden, aber wenn es mehr Schichten gibt, wird sie laut einer im Fachjournal Nature Nanotechnology veröffentlichten Studie nicht passieren.
Kohlenstoff existiert in Form verschiedener Modifikationen, die die gleiche Zusammensetzung, aber völlig unterschiedliche Eigenschaften haben. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler nicht nur bekannte Formen wie Graphen untersucht, sondern auch den Übergang von Kohlenstoff zwischen verschiedenen allotropen Modifikationen. Es gibt einige Arbeiten, in denen der Übergang von Graphen mit einer Dicke von mehreren Schichten in eine diamantähnliche Struktur mittels Simulation beschrieben wird, die Transformation in eine Struktur mit für Diamant charakteristischen mechanischen Eigenschaften ist jedoch experimentell nicht erreicht worden.
Forscher um Angelo Bongiorno von der City University of New York haben experimentell einen Film mit diamantähnlicher Struktur und Eigenschaften aus Graphen hergestellt. Sie erzeugten epitaktische Graphenfilme mit unterschiedlichen Dicken auf einem Siliziumkarbid-Substrat: eine, zwei, fünf und zehn Graphenschichten. Die Wissenschaftler entschieden sich, die Seitensteifigkeit verschiedener Proben mittels Nanoindentation zu testen: Sie steckten einen Eindringkörper mit einer kugelförmigen Spitze mit einem Radius von 120 Nanometern in die Proben ein und maßen die Eindringtiefe des Eindringkörpers und die aufgebrachte Last.
Messung der Steifigkeit von Graphen mit unterschiedlicher Schichtanzahl im Vergleich zur Steifigkeit eines Siliziumkarbid-Substrats
Bei einlagigem Graphen war der Young-Modul in Richtung senkrecht zur Ebene derselbe wie beim Substratmaterial (Siliziumcarbid) und bei mehreren Schichten nahe dem Young-Modul von Graphit. Bei zweischichtigen Proben war die Steifigkeit jedoch deutlich höher als die des Substrats. Außerdem widerstand eine solche Probe dem Eindringen eines diamantbestückten Eindringkörpers mit einer Belastung von 30 Mikronewton, während der Rest der Proben unter solchen Bedingungen leicht durchbohrt wurde.
Rasterkraftmikroskopische Aufnahmen von Proben von Zweischicht-Graphen, Siliziumkarbid-Substrat und Fünfschicht-Graphen
Modellierungen mit Dichtefunktionaltheorie haben gezeigt, dass Kohlenstoff während des Phasenübergangs von Graphen zu einer diamantartigen Struktur von sp2- zu sp3-Hybridisierung übergeht. Mithilfe von Simulationen fanden die Forscher außerdem heraus, dass sich 3- und 4-Schicht-Graphen im Gegensatz zu zweischichtigem Graphen nur bei rhomboedrischer oder hexagonaler Packung der Schichten in eine diamantartige Struktur umwandeln, während Schichten in mehrschichtigem Graphen normalerweise gepackt sind von Bernal Verpackung. Dies verhindert, dass Graphen mit mehr als zwei Schichten eine diamantartige Struktur bildet.
Die Forscher bestätigten den Phasenübergang auch durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit. Es zeigte sich, dass in Bilayer-Graphen bei einer für den Phasenübergang ausreichenden Belastung ein Abfall der elektrischen Leitfähigkeit auftritt, was ebenfalls auf eine Strukturänderung hinweist.
Wissenschaftler haben kürzlich entdeckt, dass Diamant nicht nur durch Erhitzen unter hohem Druck, sondern auch durch Bestrahlung mit weichen Röntgenstrahlen in Graphit umgewandelt werden kann. Es stellte sich heraus, dass der Übergang in diesem Fall durch einen Mechanismus erfolgt, der nicht mit der Erwärmung zu tun hat und eine Größenordnung weniger Zeit benötigt.
