Утворення алмазів при кімнатній температурі

У листопаді 2020 року була опублікована стаття, в якій повідомляється про синтез a нанокристалічного алмазу та лонсдейліту при кімнатній температурі, що до сьогодні вважалося неможливим.

Синтез проводили під тиском 80 ГПа з некристалічного вуглецевого зразка-попередника. Це було можливо лише за високого тиску та напруження зсуву, які були "важливими для сприяння фазоутворенню, оскільки це може допомогти подолати кінетичні бар'єри", йдеться у статті.

Результати дослідження ґрунтуються на використанні дуже поширеного методу електронної мікроскопії, який широко застосовується в кристалографії, що є експериментальною галуззю, яка вивчає розташування атомів у кристалічних твердих тілах, у випадку цієї статті - алмазі та лонсдейліті.

Діамант, маленький (чи ні) і дорогоцінний шматочок блискучої породи, є не просто дорогою прикрасою, а й надзвичайно важливим матеріалом завдяки своїм властивостям, що дозволяють використовувати його в звичайних і екстремальних умовах.

Серед корисних властивостей - надзвичайна твердість, висока теплопровідність, а також можливість використання в біомедичних цілях, серед іншого.

Лонсдейліт - алмазоподібний матеріал з невеликими відмінностями в кристалічній структурі в порівнянні з алмазом, в той час як алмаз має кубічна кристалічна структура з тетраедрично зв'язаним вуглецем, лонсдейліт має гексагональна кристалічна структураменш поширена форма перегрупування.

Більшість досліджень у галузі синтезу алмазів вказують на необхідність двох форм збудження для подолання високого кінетичного бар'єру фазових змін матеріалу.

Для синтезу алмазу та лонсдейліту в лабораторії зазвичай використовують високий тиск і підвищену температуру.

Сьогодні вчені мають діаграму, яка показує фізичні стани деякого матеріалу в залежності від температури і тиску, яка називається фазова діаграма. Дуже відома і корисний інструмент для науковців, щоб знати, які температура і тиск потрібні для досягнення певного стану, наприклад, твердого, рідкого або газоподібного. В атомах вуглецю графіт і алмаз є двома прикладами твердих станів.

Якщо ви подивитеся на вуглецева діаграмаалмазний стан може бути досягнутий при кімнатній температурі вище тиску 2 ГПа, але в реальності необхідно враховувати інші фактори, які можуть спричинити величезну різницю в кінцевому результаті. Одним з таких факторів, згаданих у статті, є напруга зсуву.

Напруга зсуву відома як процес, коли паралельні шари прослизають один крізь інший. Дуже простий приклад: коли ви складаєте руки разом і починаєте ковзати одна по одній - наприклад, коли вам холодно і ви хочете зігріти руки - цей рух створює напругу зсуву в руках або у використовуваному матеріалі.

Напруга зсуву може сприяти фазовим змінам матеріалів. Якщо не брати до уваги температуру, то напруження зсуву виявляється важливим компонентом того, як "алмаз може формуватися в набагато ширшому діапазоні середовищ, як земних, так і позаземних, ніж вважалося раніше", але для підтвердження впливу напруження зсуву необхідно провести ще багато досліджень. Утворення лонсдейліту також пов'язують з напруженням зсуву.

Намагаючись отримати алмаз і лонсдейліт при кімнатній температурі, вчені піддали зразки склоподібного вуглецю стисненню 80×10⁹Па - це великий тиск, набагато, набагато більший, ніж тиск, який ви відчували під час звичайного тесту в коледжі.

Це число еквівалентне майже 800 тисячам атмосфер - ми живемо лише під однією атмосферою.

Вчені проаналізували результати зразків за допомогою трьох різних методів електронної мікроскопії. Раманівська спектроскопія, рентгенівська дифракція та ТЕМ (трансмісійна електронна мікроскопія). Розглянемо кожен з них.

У "The Раманівська спектроскопія це метод, який дозволяє отримати структурний відбиток певного матеріалу за допомогою коливальні моди молекул.

Матеріал зразка взаємодіє з монохроматичним світлом - зазвичай лазером - поглинаючи і випромінюючи фотони в режимі непружного розсіювання, іншими словами, молекулярні коливання зразка поглинають певну кількість фотонів, причому кількість поглинутих відрізняється від кількості випромінених.

Ця різниця виявляється, і кінцевий результат дозволяє вченим отримати структурну інформацію про зразок.

Рентгенівська дифракція передбачає використання електронного пучка замість монохроматичного світла. Завдяки особливостям розташування атомів у кристалічній структурі, коли рентгенівський промінь потрапляє на зразок, він дифрагує під різними кутами і в різних напрямках.

Вчені можуть вимірювати ці кути та інтенсивність дифрагованого променя, перетворюючи дані в тривимірну картину з положеннями атомів у кристалі.

У "The ТЕМ, трансмісійна електронна мікроскопія це метод мікроскопії, який використовує пучок електронів замість світла, а також дифракцію рентгенівських променів.

Зразок опромінюється променем, який проходить крізь нього, створюючи зображення за допомогою флуоресцентного детектора.

Цей метод вимагає підготовки зразка на сітці, і він позначений як ухильний метод через втрату зразка, який руйнується під час аналізу.

Після спроби отримати алмаз, дослідники виявили за допомогою комбінаційного розсіювання світла, що зразки складаються лише з графітового матеріалу.

Однак рентгеноструктурний аналіз показав інший результат, продемонструвавши присутність лонсдейліту (12%), алмазу (3%) і графіту (85%).

Ці розбіжності в результатах пояснюються відмінностями в кожній з методик. Раманівський аналіз здатен аналізувати лише поверхню матеріалів, тоді як рентгенівська дифракція може проходити крізь усю товщину зразка.

Загалом, цей результат доводить, що формування твердих матеріалів, таких як алмаз, відбувається під впливом не лише тиску і температури.

І інші фактори можуть викликати утворення матеріалу, такі як напруга зсуву або фактори, які наука ще навіть не знає.

Можливо, в майбутньому, коли ця техніка стиснення краще зарекомендує себе, здешевивши виробництво алмазів, наука зможе повною мірою скористатися перевагами цього матеріалу.

_____

Ви вже Mind the Graph користувачем? Якщо ні, ви можете почати прямо зараз.! Ви також можете натиснути тут. Щоб побачити нашу галерею наукових ілюстрацій, вам не потрібно починати свій проект з нуля!

Утворення алмазів при кімнатній температурі та електронний аналіз

Про Фабріціо Памплону

Утворення алмазів при кімнатній температурі та електронний аналіз

Підпишіться на нашу розсилку

Про Фабріціо Памплону