Учені навчилися перетворювати пластик на алмази за допомогою лазерів
Німецькі фізики навчилися перетворювати звичайний пластик на мільярди наноалмазів за допомогою надпотужних лазерів. Їм уперше вдалося не просто синтезувати кристали, а й безпечно вловити їх неушкодженими на космічній швидкості.
Як лазери створюють кристали з пластикових пляшок
Як показало дослідження в науковому журналі Diamond and Related Materials, фахівці з Центру імені Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR) та Ростокського університету відтворили умови, схожі на надра Нептуна та Урана. Там панують температури в кілька тисяч градусів Цельсія, а тиск у мільйони разів перевищує земний атмосферний. Спрямувавши потужні лазери на пластикову плівку завтовшки всього 100 мікрометрів, фізики змусили атоми вуглецю миттєво перебудуватися в алмазну структуру.
Ми очікували, що наноалмази утворяться за таких умов. Проте нас здивувало те, як швидко це сталося, що одразу підштовхнуло до думки про потенційне технічне застосування,
– прокоментував засновник Інституту фізики високої густини енергії HEDI при HZDR та професор Ростокського університету Домінік Краус.
Космічна швидкість і м'яка посадка в гель
Експерименти проводили на лазерній установці Extreme Light Infrastructure (ELI) на південь від Праги. Лазер здійснював три постріли на хвилину, і кожен імпульс викликав ударну хвилю всередині пластику. На виході зі зразка у вакуум новоутворені алмази розганялися до швидкості понад 10 кілометрів на секунду, що можна порівняти з падінням метеорита.
Щоб кристали не зруйнувалися від удару об стінки вловлювача, вчені розробили спеціальне рішення. Вони використали водорозчинний іонний гель, здатний працювати у вакуумі. Цей гель м'яко гасив швидкість часток, після чого дослідники без проблем витягували й очищали отримані зразки. Кожен лазерний постріл генерував приблизно 10 трильйонів алмазів розміром близько трьох нанометрів, де кожен кристал містить орієнтовно 3 000 атомів. Дослідникам знадобилося близько 100 спалахів, щоб зібрати кілька сотень мікрограмів речовини для детального аналізу.
Після вилучення наноалмазів із матеріалу вловлювача та їхнього очищення ми змогли вперше побачити їх безпосередньо за допомогою електронного мікроскопа ELMI-MV. Це був особливий момент, до якого ми йшли роками. Завдяки цьому приладу ми можемо розрізняти навіть окремі атоми,
– розповів провідний автор дослідження Бен Хойзер з HZDR.
Перспективи в медицині та пошук нової форми вуглецю
Отримані наноалмази вирізняються винятковою чистотою та однаковим розміром, чого неможливо досягти звичними методами за допомогою вибухів. Завдяки великій площі поверхні такі кристали стануть ефективними каталізаторами, наприклад, для розщеплення вуглекислого газу під дією сонячного світла. Крім того, використання пластику полегшує легування – впровадження сторонніх атомів у кристалічну ґратку. Це відкриває шлях до створення надчутливих квантових сенсорів та нових контрастних речовин для магнітно-резонансної томографії.
Надалі дослідники планують збільшити обсяги видобутку до міліграмів завдяки розвитку сучасних лазерів. Також у планах фізиків є спроба створити теоретичну форму вуглецю під назвою BC8, яка має бути щільнішою за звичайний алмаз і менш крихкою. Її синтез науковці перевірять під час наступних експериментів із ще вищим лазерним тиском.