Исследователи разработали революционную методику получения алмазов при нормальном атмосферном давлении без использования начальных драгоценных камней. Это достижение может значительно упростить выращивание алмазов в лабораторных условиях.
Как синтезировать алмазы
Природные алмазы образуются в мантии Земли, при экстремальном давлении и температуре, на глубине сотен километров под поверхностью. Этот природный процесс требует давления в несколько гигапаскалей и температуры свыше 1 500 градусов Цельсия.
В настоящее время наиболее распространенным методом синтеза искусственных алмазов является выращивание при высоком давлении и высокой температуре (HPHT). Этот метод имитирует экстремальные условия мантии Земли для преобразования углерода в алмаз. Однако она дорога, сложна в обслуживании и ограничена по размеру алмазов, которые она может производить. Кроме того, для создания мелких алмазов этим методом часто требуется неделя или больше. Альтернативный метод, химическое осаждение из паровой фазы (CVD), устраняет некоторые ограничения HPHT, такие как высокое давление, но по-прежнему требует наличия алмазных семян.
Новая революционная техника
Родни Руофф, химик-физик из Института фундаментальных наук в Южной Корее, и его команда разработали метод, позволяющий синтезировать алмазы при нормальном атмосферном давлении без использования драгоценных камней. В методике используется электрически нагретый галлий с небольшим количеством кремния в графитовом тигле.
В деталях команда ввела горячий, богатый углеродом метан в специально сконструированную камеру. В этой камере, поддерживаемой при атмосферном давлении на уровне моря, создается оптимальная среда для роста алмазов. Исследователи обнаружили, что смесь галлия, никеля, железа и кремния идеально подходит для катализации роста алмазов. При электрическом нагревании галлий выступает в роли катализатора, а кремний играет решающую роль в формировании алмазов.
Более того, когда богатый углеродом метан проходит через эту нагретую смесь, алмазы начинают формироваться всего за пятнадцать минут. Через два с половиной часа на дне тигля образуется более полная алмазная пленка. Спектроскопические анализы подтвердили, что эта алмазная пленка в основном чистая, с небольшими следами кремния.
Различные алмазы, полученные с помощью новой техники.
Проблемы и перспективы
Хотя этот новый метод многообещающий, он, тем не менее, сопряжен с рядом проблем. Получаемые алмазы крошечные, гораздо меньше тех, что были созданы методом HPHT, что делает их непригодными для ювелирных изделий. Однако они могут найти технологическое применение, особенно в полировке и сверлении.
Механизм образования также остается лишь частично понятным. Исследователи полагают, что кремний действует как семя, вокруг которого кристаллизуется углерод. Затем падение температуры направляет углерод из метана в центр тигля, где он превращается в алмаз. Однако для полного понимания этого процесса потребуются дальнейшие исследования.
Тем не менее Родни Руофф считает, что этот метод может изменить синтез алмазов в лабораторных условиях, сделав процесс более дешевым и простым. Хотя коммерческое применение пока не совсем ясно, у этой инновации огромный потенциал.
Подробности исследования опубликованы в журнале Nature.
