Формирование алмаза при комнатной температуре

В ноябре 2020 года была опубликована статья, в которой сообщалось о синтезе a нанокристаллического алмаза и лонсдейлита при комнатной температуре, что до сегодняшнего дня считалось невозможным.

Синтез проводился под давлением 80 ГПа из некристаллического углеродного образца-предшественника. Это было возможно только при высоком давлении и напряжении сдвига, причем оба эти фактора "важны для содействия фазообразованию, поскольку они могут помочь преодолеть кинетические барьеры", говорится в статье.

Результаты исследования основаны на использовании очень распространенной техники электронной микроскопии, которая используется в кристаллографии - экспериментальной области, изучающей расположение атомов в кристаллических твердых телах, в случае данной статьи, алмазе и лонсдейлите.

Алмаз, маленький (или не очень) и драгоценный кусочек блестящего камня, - это не просто дорогое ювелирное украшение, это еще и чрезвычайно важный материал благодаря своим свойствам, позволяющим использовать его в обычных и экстремальных условиях.

Некоторые полезные свойства: чрезвычайная твердость, высокая теплопроводность, а также возможность использования в биомедицинских приложениях и др.

Лонсдейлит представляет собой алмазоподобный материал с небольшими отличиями в кристаллической структуре по сравнению с алмазом, в то время как алмаз имеет кубическая кристаллическая структура с тетраэдрически связанным углеродом, лонсдейлит имеет гексагональная кристаллическая структураменее распространенная форма перестройки.

В большинстве исследований, посвященных синтезу алмазов, говорится о необходимости использования двух форм возбуждения для преодоления высокого кинетического барьера фазовых изменений материала.

Для синтеза алмаза и лонсдейлита в лабораторных условиях обычно используются высокое давление и повышенная температура.

Сегодня у ученых есть диаграмма, которая показывает физическое состояние какого-либо материала в зависимости от температуры и давления, называемая фазовая диаграмма. Очень известный и полезный инструмент для ученых, позволяющий узнать, какая температура и давление необходимы для достижения определенного состояния, например, твердого, жидкого или газообразного. Атомы углерода, графит и алмаз являются двумя примерами твердых состояний.

Если вы посмотрите на углеродная диаграммаалмазное состояние может быть достигнуто при комнатной температуре при давлении выше 2 ГПа, но в действительности необходимо учитывать другие факторы, факторы, которые могут вызвать огромную разницу в конечном результате. Одним из таких факторов, упомянутых в статье, является напряжение сдвига.

Напряжение сдвига известно как процесс, при котором параллельные слои проскальзывают друг сквозь друга. Очень простой пример - когда вы складываете руки вместе и начинаете скользить одна по другой - например, когда вам холодно и вы хотите согреть руки - это движение создает напряжение сдвига в руках или в используемом материале.

Напряжение сдвига может способствовать фазовому переходу материалов. Без учета температуры напряжение сдвига оказывается важным компонентом того, как "алмаз может образовываться в гораздо более широком диапазоне сред, как земных, так и внеземных, чем считалось ранее", но для подтверждения эффектов напряжения сдвига требуется еще много исследований. Образование лонсдейлита также было связано со сдвиговым напряжением.

Пытаясь получить алмаз и лонсдейлит при комнатной температуре, ученые подвергли образцы стеклообразного углерода сжатию 80×10⁹Па - это большое давление, гораздо большее, чем давление, которое вы испытывали, проходя обычный тест в колледже.

Это число эквивалентно почти 800 тысячам атмосфер давления - мы живем только под одной атмосферой.

Ученые проанализировали результаты исследования образцов с помощью трех различных методов электронной микроскопии. Рамановская спектроскопия, рентгеновская дифракция и ТЭМ (просвечивающая электронная микроскопия). Давайте проверим каждый из них.

Сайт Рамановская спектроскопия это метод, который позволяет получить структурный отпечаток конкретного материала с помощью колебательные моды молекул.

Материал образца взаимодействует с монохроматическим светом - обычно лазерным - поглощая и испуская фотоны неупругим рассеиванием, другими словами, молекулярные колебания образца поглощают некоторое количество фотонов, причем поглощенное количество отличается от испущенного.

Эта разница обнаруживается, и конечный результат позволяет ученым получить структурную информацию об образце.

Рентгеновская дифракция Метод предполагает использование электронного пучка вместо монохроматического света. В силу особенностей расположения атомов в кристаллической структуре, когда рентгеновский луч достигает образца, он дифрагирует под разными углами и в разных направлениях.

Ученые могут измерить эти углы и интенсивность дифрагированного луча, преобразуя данные в трехмерную картину с указанием положения атомов в кристалле.

Сайт ТЭМ, просвечивающая электронная микроскопия это метод микроскопии, в котором вместо света используется пучок электронов, а также дифракция рентгеновских лучей.

Образец подвергается воздействию луча, который проходит через него, создавая изображение с помощью детектора флуоресценции.

Этот метод требует подготовки образца на сетке, и он считается уклончивым методом из-за потери образца, который разрушается во время анализа.

После попытки получения алмаза исследователи обнаружили с помощью комбинационного рассеяния света, что образцы состоят только из графитового материала.

Однако рентгеновские дифракционные картины показали другой результат, продемонстрировав присутствие лонсдейлита (12%), алмаза (3%) и графита (85%).

Эти расхождения в результатах объясняются различиями в каждом методе. Раман способен анализировать только поверхность материалов, в то время как рентгеновская дифракция может проходить через всю толщину образца.

В целом, этот результат доказывает, что образование твердых материалов, таких как алмаз, является результатом не только давления и температуры.

И другие факторы могут вызывать образование материала, например, напряжение сдвига или факторы, которые науке еще неизвестны.

Возможно, в будущем, когда эта техника сжатия зарекомендует себя лучше, удешевив производство алмазов, наука сможет использовать все преимущества этого материала.

_____

Вы уже Mind the Graph пользователя? Если нет, вы можете начать прямо сейчас! Вы также можете нажать здесь чтобы посмотреть нашу галерею научных иллюстраций, вам не нужно начинать свой проект с нуля!

Формирование алмаза при комнатной температуре и электронный анализ

О Фабрисио Памплоне

Формирование алмаза при комнатной температуре и электронный анализ

Подпишитесь на нашу рассылку

О Фабрисио Памплоне