Ученые выращивают алмазы с нуля за 15 минут благодаря революционному методу

Природные и лабораторные алмазы

Природные алмазы формируются в мантии Земли — расплавленной зоне, залегающей на сотни километров под поверхностью планеты. Процесс происходит под огромным давлением в несколько гигапаскалей и палящими температурами, превышающими 1500 градусов по Цельсию.

Смотрите также Ученые превратили золото в полупроводник: помог древний рецепт японских кузнецов

Подобные условия применяются в методе, который сейчас используется для синтеза 99% всех искусственно созданных алмазов. Этот метод, который называется выращиванием под высоким давлением и высокой температурой (HPHT), использует эти экстремальные условия, чтобы заставить углерод, растворенный в жидких металлах, таких как железо, превратиться в алмаз вокруг маленького зародыша, стартового алмаза.

Однако высокие давления и температуры трудно создавать и поддерживать, а задействованные компоненты влияют на размер алмазов, самый большой из которых составляет около кубического сантиметра, или примерно столько же, сколько ягода черники. Кроме того, для производства даже этих крошечных драгоценных камней HPHT требует достаточно много времени — неделю или две.

Другой метод, который называется химическое осаждение из газовой фазы, устраняет некоторые требования HPHT, например, высокое давление. Но другие остаются, например, потребность в стартовом алмазе.

Новый метод

Инновационная идея устраняет некоторые недостатки обоих процессов синтеза. Команда под руководством Родни Руоффа, физико-химика из Института фундаментальных наук в Южной Корее описала ее в своей статье в апреле.

Новый метод разрабатывался в течение длительного времени. "Более десяти лет я думал о новых способах выращивания алмазов, поскольку считал, что этого можно достичь неожиданными (с точки зрения "традиционного" мышления) способами",
– рассказал Руофф.

Для начала исследователи использовали электрически нагретый галлий с небольшим количеством кремния в графитовой емкости. Галлий может показаться экзотическим элементом, но его выбрали, поскольку одно из предыдущих исследований других ученых показало, что он может катализировать образование графена из метана. Графен, как и алмаз, является чистым углеродом, но он содержит атомы в одном слое, а не в тетраэдрической ориентации, как драгоценный камень.

Исследователи разместили емкость в самодельной камере с атмосферным давлением таким, как и на уровне моря, через которую можно было пропускать сверхгорячий, богатый углеродом газ метан. Разработанная соавтором Вон Кюн Сеоном, также из Института фундаментальных наук, эта камера объемом 2,4 галлона (9 литров) была готова к экспериментам всего за 15 минут, что позволило команде быстро проводить опыты с различными концентрациями металлов и газов.

Благодаря такой настройке исследователи выяснили, что смесь галлия-никеля-железа – в сочетании с щепоткой кремния — является оптимальной для катализации роста алмазов. С этой смесью команда получила алмазы на дне емкости всего за 15 минут. За два с половиной часа образовалась более полная алмазная пленка. Спектроскопический анализ показал, что эта пленка была в основном чистой, но содержала несколько атомов кремния.

Алмазы, изготовленные по новой технике / Фото Institute for Basic Science

Детали механизма образования алмазов остаются загадочными даже для самих ученых, но исследователи считают, что перепад температуры вытесняет углерод из метана в центр емкости, где он сливается в алмаз (процесс, известный как коалесценция).

Кроме того, без участия в этом процессе кремния алмазы не образуются, поэтому исследователи считают, что он может выступать в роли затравки для углерода, который кристаллизуется вокруг.

Минусы

Новый метод не совершенен. Самой большой проблемой является то, что алмазы, выращенные с помощью этого метода, крошечные – самые большие из них в сотни тысяч раз меньше, чем те, что выращены с помощью HPHT. Это делает их слишком малыми, чтобы использовать их как драгоценности.

В нынешнем виде потенциальные применения таких алмазов непонятны. Однако, по словам Руоффа, поскольку процесс предполагает низкое давление, он может значительно увеличить масштабы синтеза.

Вероятно, ученые продолжат развивать свое открытие, чтобы достичь больших размеров алмазов, но пока что они об этом не говорят, хотя и задумываются о коммерциализации технологии.