Naturliga diamanter består av kolatomer som pressats samman i jordens mantel under miljontals år. Via lavafloder har de sedan förts uppåt, och när lavan stelnat har diamanterna kapslats in i bergsformationer. I dag borras de fram ur djupa gruvor i exempelvis Angola, Botswana, Namibia och Sydafrika.

Diamanter är ett så kallat metastabilt material. Sådana utmärks av att de har hög energi och befinner sig i – eller har fastnat i – andra faser eller tillstånd än de vanligast förekommande. Därigenom får de andra och nya användbara egenskaper, jämfört med materialets stabila form.

För kol är den stabila formen vid normalt atmosfärstryck grafit. Men hur kommer det sig? Är inte diamanter hårdare än grafit?

– Jo, men den stabila formen behöver inte utgöra det hårdaste materialet. Många stålsorter är exempelvis metastabila. Ett materials egenskaper beror på dess energi, eller styrkan i atomernas bindningar, förklarar materialforskaren Igor Abrikosov, som är professor i teoretisk fysik vid Linköpings universitet och arbetar med teoretiska simuleringar i syfte att syntetisera och upptäcka nya och spännande metastabila material.

De nya diamanterna

Det han vill göra är att hitta de ”nya diamanterna” – nya metastabila material som syntetiseras i laboratorier under högt tryck och hög temperatur – men som också har potential att användas vid normalt atmosfärstryck, vilket på jorden motsvaras av en atmosfär eller en bar.

Under Abrikosovs första Wallenberg Scholar-period tog han fram recepten, eller kvantmekaniska beräkningar, för att finna nya material som sedan legat till grund för fysiska experiment.

Dessa experiment har sedan utförts av flera forskare i laboratorier, bland dem fysikprofessorn Natalia Dubrovinskaia vid University of Bayreuth i Tyskland, som är specialist på kristaller.

Tillsammans har Igor Abrikosov och hans partners lyckats få fram omkring femtio nya metastabila material genom att i experiment efterlikna diamanternas bildningsprocess. En stor majoritet klarade dock inte övergången från en eller några miljoners atmosfärstryck till det normala – ett atmosfärstryck.  

Men ett dussintal av dem klarade att stanna i ett metastabilt tillstånd och överlevde under normalt tryck.

– Vi har lyckats ta fram nya kristallina material som är absolut okända för människan, säger Igor Abrikosov, som under hans andra Wallenbergs Scholar-period vill fördjupa sig i studier av dessa outforskade material.

– Vi vill nu kunna ta kontroll och också styra materialet i ett metastabilt tillstånd för att få fram de egenskaper vi vill att det ska ha.

När de är färdigutvecklade är tanken att materialen ska kunna användas i exempelvis elektronik, verktyg, skärmaskiner och i solceller.

Kom till Uppsala

Igor Abrikosov kom från Ryssland till Uppsala universitet i början av 90-talet för att forska som postdoktor och har sedan dess forskat inom tillämpad materialvetenskap.

Vi har lyckats ta fram nya kristallina material som är absolut okända för människan.

De senaste fem-sex åren har han och hans medarbetare i Linköping också studerat hur de kan dra nytta av artificiell intelligens i materialforskningen. Och i dag använder de superdatorn Berzelius, också den finns i Linköping, med vars hjälp de kan öka takten i sina kvantmekaniska materialsimuleringar i storleksordning tusen gånger.

– Med hjälp av superdatorn kan vi nu kanske gå vidare och utveckla färdiga material på bara fem år, säger han och tillägger att deras mål är att välja ut och satsa på de material som har de mest intressanta egenskaperna vid ett atmosfärstryck.

En fantastisk känsla

I experimenten för att framställa nya metastabila material, i det här fallet superhårda kolnitrider, använder forskarna två diamanter vars spetsar mekaniskt pressar samman kol och kväve inuti en rund form som är gjord av metallen rhenium och fylls med kvävgas.

En miljon atmosfärstryck anläggs på spetsarna och forskarna höjer temperaturen till runt 2 500 grader med hjälp av lasrar.

Då uppstår en kemisk reaktion i vilken en mycket liten mängd av ett nytt material av kol och kväve skapas i form av en superhård kristall. Storleken är dock väldigt liten, endast en mikrometer, eller en tusendels millimeter.

– Men det var ändå en fantastisk känsla när jag hade det första, nya materialet i mina händer, säger Igor Abrikosov leende.

Forskargruppen arbetar nu med att undersöka hur de ska kunna skala upp de ytterst små materialen till den ungefärliga storleken av en diamant.

Bland annat kan forskarna testa att använda instrumentet ”large volume press”, en utrustning som används i dagens produktion av konstgjorda, syntetiska diamanter. Men en utmaning är att det sannolikt inte går att skapa så högt tryck som krävs. 

En annan metod, som i dag används för att få syntetiska diamanter att växa, är att tillsätta kemikalier.

– Men först måste vi hitta det rätta kemiska ämnet som kan trigga i gång liknande tillväxtprocesser och det är något som vi arbetar med, säger Igor Abrikosov.

Text Monica Kleja
Bild Magnus Bergström