Porowaty diament brzmi jak sprzeczność: materiał kojarzony z wyjątkowo zwartą siecią krystaliczną można dziś celowo przekształcić w strukturę pełną kanałów o rozmiarach od nanometrów do dziesiątek mikrometrów. Najnowszy przykład opisany w 2026 roku w czasopiśmie „Carbon” pokazuje, że za pomocą katalizowanego metalem trawienia w plazmie H₂/O₂ można uzyskać w diamencie połączone kanały o średnicy około 5–40 µm i głębokości 10–50 µm, zwiększając powierzchnię właściwą materiału do 82,6 m²/g – informuje redakcja TopFlop.
- Jak można zrobić porowaty diament, skoro jest tak odporny?
- Nanopory mogą powstać bez temperatur liczonych w tysiącach stopni
- Po co robić dziury w diamencie? Najważniejsza jest powierzchnia
- Porowaty diament może prowadzić także do nowych czujników kwantowych
- Diament z porami może mieć kilka skal struktury jednocześnie
- Czy porowaty diament nadal jest diamentem?
- Pytania i odpowiedzi: porowaty diament
Nie chodzi przy tym o produkowanie jubilerskich kamieni z przypadkowymi dziurami. Porowaty diament jest projektowany jako materiał funkcjonalny: dodatkowa powierzchnia może poprawiać pracę elektrod, katalizatorów i czujników, a kontrolowane nanostruktury są interesujące również dla fizyki kwantowej. W eksperymencie z 2026 roku porowata elektroda z diamentu domieszkowanego borem osiągnęła pojemność powierzchniową około 58,7 mF/cm² — ponad 60 razy większą niż nieporowata próbka odniesienia. To pokazuje, dlaczego fizycy i inżynierowie próbują zrobić z jednego z najbardziej odpornych materiałów coś, co pozornie przeczy jego naturze: materiał o ogromnej powierzchni wewnętrznej.
Jak można zrobić porowaty diament, skoro jest tak odporny?
Diament zawdzięcza wyjątkowe właściwości przestrzennej sieci atomów węgla połączonych wiązaniami typu sp³. Według Gemological Institute of America osiąga 10 w skali twardości Mohsa, odznacza się bardzo wysokim przewodnictwem cieplnym oraz znaczną odpornością chemiczną.
Twardość nie oznacza jednak całkowitej odporności na kontrolowane procesy chemiczne, termiczne i plazmowe. Przy odpowiednio dobranych warunkach naukowcy mogą usuwać atomy węgla z konkretnych obszarów materiału zamiast mechanicznie próbować go „wiercić”.
W praktyce istnieje kilka zupełnie różnych dróg do otrzymywania porowatego diamentu. Jedna polega na wyhodowaniu kompozytu diamentu z innym materiałem, a następnie chemicznym usunięciu tej drugiej fazy. Inna wykorzystuje utlenianie albo plazmę, która trawi najbardziej reaktywne fragmenty struktury.
Można również najpierw wytworzyć odpowiedni szkielet lub matrycę, a dopiero później wyhodować wokół niego diament. Badacze stosują nawet sole stopione, które selektywnie atakują węgiel znajdujący się na granicach nanokrystalicznych ziaren.
Najważniejsze metody można zestawić następująco:
| Metoda | Co jest usuwane lub modyfikowane | Typowa skala struktury | Najważniejsza zaleta |
|---|---|---|---|
| trawienie plazmą H₂/O₂ z katalizatorem metalicznym | wybrane obszary diamentu | mikrometry | głębokie, połączone kanały |
| trawienie termiczne w stopionych solach | głównie reaktywne fazy węglowe na granicach ziaren | nanometry | prosta obróbka przy 450°C |
| selektywne usuwanie β-SiC | faza węglika krzemu z kompozytu | sieć 3D | regulowana porowatość |
| synteza HPHT z rozpuszczalnym szkieletem | materiał szkieletu | nano- i mikrometry | wieloskalowe pory |
| kontrolowane utlenianie nanodiamentu | atomy węgla z wybranych obszarów | nanometry | precyzyjna „nanorzeźba” |
W 2015 roku zespół opisujący „diamond network” połączył osadzanie nanokompozytu diament/β-SiC z selektywnym trawieniem chemicznym węglika krzemu. Pozwoliło to regulować porowatość powstałej sieci w zakresie od około 15 do 68%. Oznacza to, że znaczną część objętości struktury mogły stanowić już nie atomy stałego materiału, lecz puste przestrzenie i kanały.
„A porous diamond network with three-dimensionally interconnected pores is of technical importance but difficult to be produced.”
— autorzy pracy w „ACS Applied Materials & Interfaces”, 2015.
To zdanie dobrze opisuje zasadniczy problem: samo stworzenie ubytku w diamencie nie wystarcza. Technologicznie znacznie cenniejsza jest sieć połączonych porów o kontrolowanej średnicy, głębokości i rozmieszczeniu.
Najnowsza metoda wykorzystuje metal i plazmę
W pracy opublikowanej w „Carbon” w 2026 roku Dongyue Wen, Yicun Li, Viktor Ralchenko i współautorzy zastosowali katalizowane żelazem trawienie w plazmie wodoru i tlenu prowadzone w systemie mikrofalowego chemicznego osadzania z fazy gazowej, czyli MPCVD. Metal pomagał zwiększyć reaktywność powierzchni, a plazma umożliwiała stopniowe usuwanie węgla. Rezultatem były kanały o średnicach około 5–40 µm i głębokościach 10–50 µm.
Co szczególnie istotne, badacze raportowali zachowanie dobrej jakości struktury krystalicznej pozostałego diamentu. Nie chodzi więc o spalenie lub całkowite zdegradowanie materiału, ale o jego selektywne „rzeźbienie”.
Powierzchnia właściwa uzyskanej struktury sięgnęła 82,6 m²/g. Dla materiałów elektrodowych jest to kluczowy parametr: im większą powierzchnię można skontaktować z elektrolitem, tym większy obszar uczestniczy w procesach elektrochemicznych.
Autorzy określają opracowany proces jako „continuous, efficient diamond etching”.
— „Carbon”, 2026.
Nanopory mogą powstać bez temperatur liczonych w tysiącach stopni
Jeszcze inną metodę przedstawili w 2023 roku badacze z Czech i Słowacji. Rene Pfeifer i współautorzy zastosowali molten salt thermal etching, czyli termiczne trawienie w stopionej soli. Obróbkę przeprowadzano w temperaturze 450°C — wysokiej z codziennego punktu widzenia, ale umiarkowanej dla technologii materiałowych związanych z diamentem.
Proces wykorzystano w ultrananokrystalicznym diamencie domieszkowanym borem. Materiał tego rodzaju składa się z bardzo małych ziaren, między którymi występują obszary zawierające więcej węgla o hybrydyzacji sp². To właśnie one są bardziej podatne na utlenianie niż zasadnicza sieć sp³.
Silnie utleniające związki powstające podczas obróbki w stopionej soli preferencyjnie usuwają bardziej reaktywne fragmenty granic ziaren. W ten sposób materiał może zostać „wydrążony” w skali nanometrycznej bez konieczności niszczenia całej warstwy diamentu.
Po trzech godzinach obróbki aktywna elektrochemicznie powierzchnia wzrosła o około 15%. Znacznie bardziej spektakularna była zmiana pojemności: z 71,50 µF/cm² w próbce pierwotnej do 3534 µF/cm² w materiale nanoporowatym, czyli około 49 razy.
Badacze opisują metodę jako „simple, environmentally friendly, inexpensive”.
— „ACS Applied Engineering Materials”, 2023.
To pokazuje istotną rzecz: nie istnieje jeden porowaty diament. Materiał z kanałami o średnicy kilkudziesięciu mikrometrów może mieć zupełnie inne właściwości i zastosowania niż nanokrystaliczna warstwa poprzecinana szczelinami liczonymi w dziesiątkach nanometrów.
W podobny sposób porowatość innych materiałów radykalnie zmienia przepływ ciepła i kontakt z otoczeniem. Mechanizmy związane z nanoporowatymi strukturami można zestawić z opisem aerożeli i fizyki transportu ciepła w materiałach o bardzo rozwiniętej strukturze wewnętrznej. W obu przypadkach kluczowe staje się nie tylko to, z jakich atomów wykonano materiał, ale również jak zorganizowana jest pusta przestrzeń między nimi.
Po co robić dziury w diamencie? Najważniejsza jest powierzchnia
Gładki blok diamentu ma stosunkowo niewielką powierzchnię w stosunku do swojej masy. Po utworzeniu tysięcy kanałów i wnęk ta sama ilość materiału może kontaktować się ze znacznie większą ilością cieczy, gazu lub innych substancji. Z punktu widzenia chemii powierzchni i elektrochemii jest to fundamentalna zmiana. Atom znajdujący się głęboko w jednolitym krysztale praktycznie nie uczestniczy w reakcjach zachodzących na powierzchni; porowatość sprawia, że duża część materiału znajduje się znacznie bliżej granicy faz.
Dobrym przykładem są porowate cząstki diamentowe zawierające nanocząstki platyny, opisane w „Scientific Reports”. Uzyskane struktury miały średnice około 1–5 µm, ale ich pory miały średnio tylko około 4–13 nm. Powierzchnia właściwa osiągała 170–300 m²/g.
Takie parametry są interesujące między innymi w katalizie. Diament sam w sobie jest chemicznie bardzo odporny, dlatego może pełnić rolę trwałego rusztowania, podczas gdy aktywne nanocząstki metalu znajdują się na jego dużej powierzchni.
Najważniejsze potencjalne zastosowania porowatego diamentu obejmują:
- elektrody do superkondensatorów;
- elektrochemiczne czujniki substancji;
- nośniki katalizatorów;
- produkcję nanodiamentów;
- systemy filtracyjne i membrany;
- powierzchnie o kontrolowanym oddziaływaniu z cieczą;
- nanofotonikę;
- czujniki temperatury i pola magnetycznego;
- badania nad centrami barwnymi w diamencie;
- zaawansowane kompozyty odporniejsze na zużycie.
W 2026 roku szczególnie mocny wynik uzyskano dla magazynowania energii. Porowata elektroda BDD — czyli boron-doped diamond, diament domieszkowany borem — osiągnęła pojemność powierzchniową 58,65–58,7 mF/cm², około 63 razy większą od wartości dla nieporowatego materiału. Zbudowany przez zespół symetryczny superkondensator pracował w oknie napięcia 2,7 V i osiągał raportowaną gęstość energii 38,64 Wh/kg. Po 10 000 cykli urządzenie zachowywało 92,7% początkowej pojemności.
| Parametr z pracy z 2026 r. | Wynik |
|---|---|
| średnica kanałów | 5–40 µm |
| głębokość | 10–50 µm |
| powierzchnia właściwa | 82,6 m²/g |
| pojemność elektrody BDD | 58,7 mF/cm² |
| wzrost względem próbki nieporowatej | ok. 63× |
| napięcie superkondensatora | 2,7 V |
| gęstość energii | 38,64 Wh/kg |
| zachowanie pojemności po 10 000 cykli | 92,7% |
Nie oznacza to, że diament nagle zastąpi powszechnie stosowane materiały superkondensatorów. Synteza wysokiej jakości diamentu i jego mikrostrukturyzacja nadal są technologicznie wymagające. Wynik pokazuje natomiast, że mała powierzchnia, która przez lata ograniczała elektrochemiczne zastosowania diamentu, może zostać radykalnie zwiększona.
Porowaty diament może prowadzić także do nowych czujników kwantowych
Diament jest interesujący dla fizyki nie tylko ze względu na twardość. Defekty jego sieci krystalicznej mogą zachowywać się jak mikroskopijne układy kwantowe. Najbardziej znanym przykładem jest centrum NV — sytuacja, w której atom azotu zastępuje atom węgla, a obok znajduje się wakans, czyli wolne miejsce w sieci. Stan spinu takiego defektu można przygotowywać i odczytywać optycznie.
W 2025 roku zespoły badawcze pokazały platformy umożliwiające równoległy odczyt setek indywidualnych centrów NV. W jednym z eksperymentów manipulowano i odczytywano jednocześnie setki sensorów zamiast kolejno skanować pojedyncze defekty. Tego rodzaju rozwiązania są rozwijane z myślą między innymi o nanoskalowej magnetometrii.
Więcej o praktycznych konsekwencjach mechaniki kwantowej dla czujników i elektroniki opisuje materiał o fizyce kwantowej w technologiach codziennego użytku, natomiast inny przykład kontroli pojedynczych stopni swobody światła pokazuje analiza tego, jak skręcony foton może kodować informację kwantową za pomocą orbitalnego momentu pędu.
Po co porowatość w takim materiale?
W czujnikach niezwykle ważna jest odległość między aktywnym centrum a badaną substancją. Pole magnetyczne lub inne oddziaływanie pochodzące od nanoskalowego obiektu szybko słabnie wraz ze wzrostem odległości. Z tego powodu badacze często chcą umieszczać centra NV możliwie blisko powierzchni diamentu.
Porowata geometria jest potencjalnie interesująca, ponieważ ogromna powierzchnia wewnętrzna może zwiększać obszar, w którym aktywne centra znajdują się blisko otoczenia.
Nie jest to jednak prosta zasada „więcej porów = lepszy sensor”.
Każda nowa powierzchnia może również wprowadzać defekty, naprężenia, ładunki i szum spinowy. Badania cienkich struktur diamentowych pokazują, że bardzo płytkie centra NV mogą cierpieć na pogorszenie fotostabilności i czasu koherencji właśnie wskutek oddziaływania z powierzchnią.
Dla fizyka idealna struktura nie jest więc maksymalnie porowata. Musi mieć odpowiednią powierzchnię bez utraty właściwości kwantowych wnętrza kryształu.
Interesujący pomost między porowatymi materiałami i sensorami stanowią nanodiamenty z centrami SiV, czyli wakansami związanymi z krzemem. Badanie opublikowane w 2024 roku opisywało dwie metody uzyskiwania takich nanodiamentów z porowatych filmów. Powstałe cząstki miały od około 40 do 500 nm.
Centra SiV emitowały charakterystyczną linię w pobliżu 738 nm. Jej położenie zmieniało się wraz z temperaturą o około 0,022 ± 0,003 nm/K, co autorzy wskazywali jako podstawę do zastosowania w nanotermometrii nawet do około 100°C.
Diament z porami może mieć kilka skal struktury jednocześnie
Jeszcze ciekawszy kierunek pokazano w badaniu opublikowanym w 2024 roku, gdzie porowaty diament uzyskano metodą wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury z rozpuszczalnym szkieletem. Zamiast tworzyć wyłącznie jeden rodzaj porów, badacze otrzymali strukturę wieloskalową.
Makropory miały średnio około 75 µm.
Jednocześnie w materiale występowały znacznie mniejsze mezopory o średniej wielkości około 19 nm.
Różnica wynosi więc blisko cztery tysiące razy.
Taki układ może być szczególnie interesujący, ponieważ większe kanały ułatwiają transport cieczy albo gazu, podczas gdy małe pory dostarczają ogromnej powierzchni kontaktu. Jest to rozwiązanie znane z innych porowatych materiałów: różne poziomy hierarchii strukturalnej pełnią różne funkcje.
W porowatym diamencie można więc projektować nie tylko „ile jest dziur”, lecz również:
- średnicę porów;
- ich głębokość;
- stopień połączenia kanałów;
- udział pustej przestrzeni w objętości;
- rozkład porów nano-, mezo- i mikrometrycznych;
- skład chemiczny powierzchni;
- obecność domieszek, np. boru;
- centra barwne takie jak NV lub SiV;
- orientację krystalograficzną;
- stosunek powierzchni do objętości.
To właśnie dlatego nanoporowaty diament należy traktować jako platformę materiałową, a nie pojedynczy nowy materiał o jednej określonej specyfikacji.
Podobna logika pojawia się w innych obszarach współczesnej fizyki: naukowcy coraz częściej nie szukają tylko nowych pierwiastków czy związków, lecz projektują geometrię istniejącego materiału. W skali nano struktura może decydować o transportowaniu ciepła, fotonów, elektronów i spinów równie mocno jak sam skład chemiczny.
Widać to również w eksperymentach kwantowych, gdzie geometria aparatury i rozkład pola potrafią otwierać dostęp do efektów wcześniej praktycznie niemierzalnych. Dobrym przykładem jest opisywana w 2026 roku propozycja wykorzystania naładowanej powłoki i precyzyjnego testu typu Cavendisha do poszukiwania milinaładowanych cząstek — szczegóły przedstawia analiza nowego zastosowania eksperymentu Cavendisha w badaniach ciemnej materii.
Czy porowaty diament nadal jest diamentem?
Tak, jeśli zasadnicza część materiału zachowuje tetraedryczną sieć węgla sp³ charakterystyczną dla diamentu. Porowatość opisuje geometrię materiału, a nie automatycznie zmianę jego fazy krystalicznej. Można więc mieć diamentowy szkielet otaczający ogromną liczbę pustych kanałów.
Jednocześnie trzeba bardzo ostrożnie interpretować określenie „porowaty”. Dwa materiały nazwane w publikacjach porous diamond mogą mieć zupełnie inną budowę.
Przykładowo:
- jeden może zawierać pory około 20 nm;
- drugi kanały o średnicy kilkudziesięciu µm;
- trzeci może być porowatą kulistą cząstką z nanodiamentów;
- czwarty — trójwymiarową siecią powstałą po usunięciu drugiej fazy kompozytu.
Dlatego przy porównywaniu wyników ważniejsze od samej nazwy są parametry: średnica porów, ich rozkład, powierzchnia BET, krystaliczność, skład powierzchni, przewodnictwo i sposób syntezy.
Rozwój z ostatnich lat pokazuje, że problem „diamentu, którego nie da się obrabiać” został częściowo odwrócony. Naukowcy korzystają właśnie z faktu, że różne fragmenty materiału lub różne fazy w jego otoczeniu mają odmienną reaktywność. Selektywne utlenianie, kataliza metaliczna, plazma i usuwanie szablonów pozwalają tworzyć struktury, które wcześniej wymagałyby niewykonalnej obróbki mechanicznej.
Pytania i odpowiedzi: porowaty diament
Czy porowaty diament występuje naturalnie?
Typowe materiały badane jako porowaty diament są strukturami wytwarzanymi laboratoryjnie. Porowatość jest projektowana za pomocą wzrostu materiału, usuwania szablonu, trawienia chemicznego, plazmy albo procesów wysokociśnieniowych.
Jak małe mogą być pory w diamencie?
Badania pokazują struktury w bardzo szerokiej skali. W porowatych cząstkach diamentowych opisano pory około 4–13 nm, a w materiale wieloskalowym mezopory o średniej wartości około 19 nm. Jednocześnie inne techniki produkują kanały mierzące dziesiątki mikrometrów.
Czy stworzenie porów niszczy twardość diamentu?
Usunięcie części materiału zmienia mechaniczne zachowanie całej struktury, ale pozostały szkielet może nadal zachowywać fazę diamentową. Konkretna wytrzymałość zależy od wielkości i liczby porów, geometrii oraz metody wytwarzania. Nie można więc przypisywać porowatemu materiałowi automatycznie takich samych parametrów mechanicznych jak pełnemu kryształowi.
Dlaczego do elektrod używa się diamentu domieszkowanego borem?
Czysty diament jest bardzo słabym przewodnikiem elektrycznym. Domieszkowanie borem może nadać mu przewodnictwo potrzebne do pracy elektrody, pozostawiając jednocześnie wiele korzystnych właściwości chemicznych diamentu. Dlatego BDD jest ważną platformą dla elektrochemii i czujników.
Czy porowaty diament może być używany w komputerach kwantowych?
Porowaty diament nie jest automatycznie komputerem kwantowym. Diament jest jednak ważną platformą dla defektów spinowych, takich jak centra NV, badanych w sensorach, sieciach i przetwarzaniu informacji kwantowej. Porowata geometria może być interesująca tam, gdzie potrzebny jest duży kontakt powierzchniowy, ale musi zostać zaprojektowana tak, aby nie pogarszać koherencji aktywnych defektów.
Czy technologia jest już gotowa do masowej produkcji?
Nie ma jednej technologii „porowatego diamentu”, którą można uznać za standard przemysłowy. Wyniki z lat 2023–2026 pokazują coraz prostsze i bardziej skalowalne metody, ale produkcja wymaga kontroli wzrostu diamentu, domieszkowania, trawienia oraz jakości powierzchni. Najnowsza metoda z plazmą H₂/O₂ została przedstawiona właśnie jako sposób na przezwyciężenie problemów kosztu, zanieczyszczeń i niewielkiej głębokości porów znanych z wcześniejszych podejść.
Porowaty diament pokazuje, jak bardzo współczesna inżynieria materiałowa odeszła od prostego pytania „z czego jest wykonany materiał”. Dziś równie istotne staje się to, gdzie znajdują się jego atomy, gdzie celowo ich brakuje i jak pusta przestrzeń łączy się w trójwymiarową sieć. W przypadku diamentu rezultat może oznaczać dziesiątki razy większą pojemność elektrochemiczną, setki metrów kwadratowych powierzchni w jednym gramie materiału albo nanostrukturę zdolną do współpracy z optycznie aktywnymi defektami. Najtwardszy naturalny materiał nie przestał być twardy — fizycy nauczyli się po prostu rzeźbić go na skali, na której zwykłe narzędzia nie mają już znaczenia.
Warto przeczytać także nasz kolejny materiał, w którym szerzej wyjaśniamy podobny temat: Ptaki zbierają się w duże stada nad polskimi miastami: dlaczego robią to przed jesienną migracją
