Учені вирощують алмази з нуля за 15 хвилин завдяки революційному методу

Природні та лабораторні алмази

Природні алмази формуються в мантії Землі — розплавленій зоні, що залягає на сотні кілометрів під поверхнею планети. Процес відбувається під величезним тиском у кілька гігапаскалів і палючими температурами, що перевищують 1500 градусів за Цельсієм.

Подібні умови застосовуються в методі, який зараз використовується для синтезу 99% всіх штучно створених алмазів. Цей метод, який називається вирощуванням під високим тиском і високою температурою (HPHT), використовує ці екстремальні умови, щоб змусити вуглець, розчинений у рідких металах, таких як залізо, перетворитися на алмаз навколо маленького зародка, стартового алмаза.

Однак високі тиски і температури важко створювати і підтримувати, а задіяні компоненти впливають на розмір алмазів, найбільший з яких становить близько кубічного сантиметра, або приблизно стільки ж, скільки ягода чорниці. Крім того, для виробництва навіть цих крихітних дорогоцінних каменів HPHT потребує досить багато часу — тиждень або два.

Інший метод, який називається хімічне осадження з газової фази, усуває деякі вимоги HPHT, наприклад, високий тиск. Але інші залишаються, наприклад, потреба в стартовому алмазі.

Новий метод

Інноваційна ідея усуває деякі недоліки обох процесів синтезу. Команда під керівництвом Родні Руоффа, фізико-хіміка з Інституту фундаментальних наук у Південній Кореї описала її в своїй статті у квітні.

Новий метод розроблявся протягом тривалого часу. "Понад десять років я думав про нові способи вирощування алмазів, оскільки вважав, що цього можна досягти несподіваними (з погляду "традиційного" мислення) способами",
– розповів Руофф.

Для початку дослідники використовували електрично нагрітий галій з невеликою кількістю кремнію в графітовій ємності. Галій може здатися екзотичним елементом, але його обрали, оскільки одне з попередніх досліджень інших учених показало, що він може каталізувати утворення графену з метану. Графен, як і алмаз, є чистим вуглецем, але він містить атоми в одному шарі, а не в тетраедричній орієнтації, як коштовний камінь.

Дослідники розмістили ємність у саморобній камері з атмосферним тиском таким, як і на рівні моря, через яку можна було пропускати надгарячий, багатий на вуглець газ метан. Розроблена співавтором Вон Кюн Сеоном, також з Інституту фундаментальних наук, ця камера об'ємом 2,4 галона (9 літрів) була готова до експериментів всього за 15 хвилин, що дозволило команді швидко проводити досліди з різними концентраціями металів і газів.

Завдяки такому налаштуванню дослідники з'ясували, що суміш галію-нікелю-заліза — в поєднанні з дрібкою кремнію — є оптимальною для каталізації росту алмазів. З цією сумішшю команда отримала алмази на дні ємності всього за 15 хвилин. За дві з половиною години утворилася більш повна алмазна плівка. Спектроскопічний аналіз показав, що ця плівка була в основному чистою, але містила кілька атомів кремнію.

Алмази, виготовлені за новою технікою / Фото Institute for Basic Science

Деталі механізму утворення алмазів лишаються загадковими навіть для самих учених, але дослідники вважають, що перепад температури витісняє вуглець з метану до центру ємності, де він зливається в алмаз (процес, відомий як коалесценція).

Крім того, без участі в цьому процесі кремнію алмази не утворюються, тож дослідники вважають, що він може виступати в ролі затравки для вуглецю, який кристалізується навколо.

Мінуси

Новий метод не досконалий. Найбільшою проблемою є те, що алмази, вирощені за допомогою цього методу, крихітні – найбільші з них у сотні тисяч разів менші, ніж ті, що вирощені за допомогою HPHT. Це робить їх надто малими, щоб використовувати їх як коштовності.

У нинішньому вигляді потенційні застосування таких алмазів незрозумілі. Однак, за словами Руоффа, оскільки процес передбачає низький тиск, він може значно збільшити масштаби синтезу.

Імовірно, науковці продовжать розвивати своє відкриття, щоб досягти більших розмірів алмазів, але поки що вони про це не говорять, хоча й задумуються про комерціалізацію технології.