Алмаз с нуля за 15 минут по новой технологии

На открытие ушло более 10 лет, но оно того стоило. Теперь алмазы можно выращивать легко и просто. Синтез ценных кристаллов происходит в обычном атмосферном давлении, и даже затравочный камень не требуется.

Естественное и искусственное

Натуральные алмазы рождаются в мантии планеты, в так называемой «зоне расплава», на глубине 300-400 километров. Условия там адские, в прямом смысле слова: жуткое давление в несколько тысяч раз больше нормального, температура в районе 1500 °С.

В точно таких же условиях происходит лабораторное выращивание искусственных алмазов. Высокое давление, высокая температура и специальный метод, который позволяет вытягивать углерод из расплавленных металлов, например, из железа.

Для появления алмаза традиционным способом необходим затравочный камень. Это крошечный алмаз, вокруг которого будет нарастать кристаллическая структура. Что-то вроде песчинки в жемчужной раковине.

Процесс такого синтеза весьма непростой, затратный, длительный, а алмаз получается не очень-то и большой. Судите сами. Высокое давление и температуру сложно организовать, но еще труднее поддерживать. Нужно крайне недешевое оборудование.

Алмазы синтезируются не самые крупные. Максимальный размер — в районе кубического сантиметра. Для наглядности можете представить себе ягодку черники.



И самое главное — рождение происходит очень долго. От недели до двух тратится на то, чтобы произвести на свет крошечный алмазик.

Есть другой метод — химическое осаждение из паровой фазы. Там можно обойтись без высокого давления, но все другие условия остаются. К примеру, без дорогого затравочного камня не обойтись.

Новая технология устраняет некоторые недостатки обоих процессов синтеза. Коллектив, возглавляемый Родни Руоффом, физико-химиком из Института фундаментальных наук в Южной Корее, опубликовал свои результаты 24 апреля в журнале Nature.

15 минут, и все готово!

— Родни Руофф.

Для начала исследовательская команда поместила в графеновый тигель нагретый электричеством галлий с небольшим количеством кремний. На первый взгляд, эти манипуляции выглядят как самая настоящая средневековая алхимия, но нет, это чистая наука. Одно из предыдущих исследований показало, что галлий — это эффективный катализатор, способный ускорить образование графена из метана.

Если кто забыл, графен, как и алмаз, — это чистейший углерод. Но атомы графена расположены в одном слое, тогда как форма внутренней структуры алмаза — тетраэдр, простейший многогранник, гранями которого являются четыре треугольника.

Затем ученые поставили тигель в самодельную камеру, где поддерживалось нормальное атмосферное давление на уровне моря. Через устройство было очень просто пропускать сверхгорячий, богатый углеродом метан.

К слову сказать, 9-литровая камера была разработана другим участником исследования, южнокорейским ученым Вон Кен Сонгом. Всего за четверть часа камера может быть полностью готова для любых экспериментов. И это позволило исследователям очень быстро проводить опыты, пробуя различные концентрации металлов и газов.

Надо немного подождать

В итоге ученые пришли к тому, что самый лучший вариант для ускоренного синтеза алмазов — это сочетание галлия, никеля и железа с добавлением небольшой порции кремния. Выводы исследователей оказались верными: уже через 15 минут в основании тигля появились первые алмазы. Еще через 2,5 с половиной часа сформировалась более плотная алмазная пленка. Анализ с применения спектроскопа показал, что новорожденная пленка получилась в целом чистой, однако в ней все-таки обнаружилось несколько атомов кремния.



Ученые честно признаются, что пока не особенно представляют все тонкости придуманного ими метода. Они думают, что низкая температура буквально выталкивает углерод из метана в центр тигля, где он начинает формироваться в алмаз.

Также исследователи обнаружили, что если кремний отсутствует, то процесс образования драгоценного кристалла вообще не происходит. Из этого обстоятельства научная команда сделала вывод: кремний выступает затравочным камнем для кристаллизации углерода.

Естественно, без очень большой ложки дегтя в бочке меда не обошлось. Главная проблема — алмазы, синтезированные по новой технологии, получаются ну уж очень маленькими. Самые большие из них в сотни раз меньше тех, которые произведены традиционным методом с использованием высокого давления и температуры. Словом, в качестве драгоценных камней эти микроалмазы задействовать не получится.

Впрочем, если ювелирам такие крошки не нужны, то в других сферах даже такие алмазы, что называется, с руками отрывают. Их, например, можно использовать в полировке и сверлении.


— Родни Руофф.