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.
Цех по выращиванию алмазов традиционным способом
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!
Более десяти лет я думал о новых способах выращивания алмазов, поскольку считал, что этого можно достичь неожиданными (с точки зрения «обычного» мышления) способами
— 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.
Для первого раза получился просто великолепный результат
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.
Технология еще крайне сырая. Но уже сейчас видно, что низкое давление поможет значительно расширить масштабы синтеза алмазов. Примерно через год-два, мы будем более четко понимать, в каких отраслях наш метод сможет найти коммерческое применение
— Родни Руофф.
