Ученые научились превращать пластик в алмазы с помощью лазеров

Как с помощью лазеров создают кристаллы из пластиковых бутылок

Как показало исследование, опубликованное в научном журнале Diamond and Related Materials, специалисты из Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR) и Ростокского университета воссоздали условия, схожие с условиями в недрах Нептуна и Урана. Там царят температуры в несколько тысяч градусов Цельсия, а давление в миллионы раз превышает земное атмосферное. Направив мощные лазеры на пластиковую пленку толщиной всего 100 микрометров, физики заставили атомы углерода мгновенно перестроиться в алмазную структуру.

Мы ожидали, что в таких условиях образуются наноалмазы. Однако нас удивило, как быстро это произошло, что сразу же натолкнуло на мысль о потенциальном техническом применении,
– прокомментировал основатель Института физики высокой плотности энергии HEDI при HZDR и профессор Ростокского университета Доминик Краус.

Космическая скорость и мягкая посадка в гель

Эксперименты проводились на лазерной установке Extreme Light Infrastructure (ELI) к югу от Праги. Лазер совершал три выстрела в минуту, и каждый импульс вызывал ударную волну внутри пластика. При выходе из образца в вакуум новообразованные алмазы разгонялись до скорости более 10 километров в секунду, что сопоставимо с падением метеорита.

Чтобы кристаллы не разрушились от удара о стенки улавливателя, ученые разработали специальное решение. Они использовали водорастворимый ионный гель, способный работать в вакууме. Этот гель мягко гасил скорость частиц, после чего исследователи без проблем извлекали и очищали полученные образцы. Каждый лазерный выстрел генерировал примерно 10 триллионов алмазов размером около трех нанометров, причем каждый кристалл содержит ориентировочно 3 000 атомов. Исследователям потребовалось около 100 вспышек, чтобы собрать несколько сотен микрограммов вещества для детального анализа.

После извлечения наноалмазов из материала улавливателя и их очистки мы смогли впервые увидеть их непосредственно с помощью электронного микроскопа ELMI-MV. Это был особый момент, к которому мы шли годами. Благодаря этому прибору мы можем различать даже отдельные атомы,
– рассказал ведущий автор исследования Бен Хойзер из HZDR.

Перспективы в медицине и поиск новой формы углерода

Полученные наноалмазы отличаются исключительной чистотой и одинаковым размером, чего невозможно достичь обычными методами с помощью взрывов. Благодаря большой площади поверхности такие кристаллы станут эффективными катализаторами, например, для расщепления углекислого газа под действием солнечного света. Кроме того, использование пластика облегчает легирование – внедрение посторонних атомов в кристаллическую решетку. Это открывает путь к созданию сверхчувствительных квантовых датчиков и новых контрастных веществ для магнитно-резонансной томографии.

В дальнейшем исследователи планируют увеличить объемы добычи до миллиграммов благодаря развитию современных лазеров. Также в планах физиков – попытка создать теоретическую форму углерода под названием BC8, которая должна быть плотнее обычного алмаза и менее хрупкой. Ее синтез ученые проверят в ходе следующих экспериментов с еще более высоким лазерным давлением.