Алмаз за пару часов: ученые открыли способ скоростного выращивания кристаллов
Процесс формирования алмазов в природе занимает от 1 до 3,3 миллиарда лет, что составляет от 22% до 73% возраста Земли. Синтетические кристаллы, изобретенные в 1954 г., производятся в лаборатории намного быстрее. Это происходит обычно в течение от нескольких дней до нескольких недель, в зависимости от желаемого качества. Однако для этого все равно требуются высокие давление и температура, причем они ограничиваются лишь несколькими каратами. Теперь команда из Института базовой науки, финансируемого правительством Кореи, нашла способ выращивать алмазы за несколько часов без потребности в большом давлении, сообщает 5-tv.ru.
Алмаз за 2,5 часа
Команда получила кристаллы при давлении 1 стандартного атмосферного давления (атм) и температуре 1025 °C всего за 150 минут. Их исследование опубликовано в журнале Nature.
Ученые разработали вакуумную систему холодной стенки, которая позволяет быстро нагревать и охлаждать. Они тщательно смешали и разместили жидкий металлический сплав, состоящий из галлия, железа, никеля и кремния, на графитовый тигель внутри устройства. Два охлаждаемых водой электрода получили ток, нагревая тигель со скоростью 7,7 °C в секунду. Тем временем трубка для газа доставляла метан и водород в камеру.
При таких условиях атомы углерода из метана диффундировали в жидкий металл. Удивительно, но уже через 15 минут маленькие осколки кристаллов алмаза начали формироваться прямо под поверхностью, а через 150 минут образовалась непрерывная пленка алмаза.
Команда ранее разработала более крупное устройство объемом 100 литров. Однако большое не всегда означает лучшее. Эта более ранняя версия требовала намного больше времени для перенастройки между экспериментами, требуя трех часов на конфигурацию.
Род Руофф, всемирно известный эксперт по нанотехнологиям, руководил проектом. Он попросил коллег спроектировать и построить намного меньшую камеру, чтобы значительно сократить время подготовки.
«Наша новая самодельная система (названная RSR-S), с внутренним объемом всего 9 литров, может быть выкачана, прочищена, выкачана и заполнена смесью метана/водорода за общее время 15 минут, — объясняет мистер Руофф в пресс-релизе из института. — Параметрические исследования значительно ускорились, и это помогло нам открыть параметры, при которых алмаз растет в жидком металле».
«Однажды с системой RSR-S, когда я проводил эксперимент, затем охладил графитовый тигель, чтобы застыл жидкий металл, и снял кусок застывшего жидкого металла, я заметил ‘радужный узор’, распространяющийся на несколько миллиметров на нижней поверхности этого куска, — сказал Ян Гонг, аспирант Улсанского национального института науки и технологии и первый автор исследования. — Мы выяснили, что радужные цвета были вызваны алмазами! Это позволило нам идентифицировать параметры, которые способствуют воспроизводимому росту алмаза».
Возможности и перспективы нового метода выращивания алмазов
Источник фото: proehal.ru
Первоначальное образование происходит без необходимости алмазов или других «семян», обычно используемых в обычных методах высокого давления и высокой температуры (HPHT) или методах химического осаждения из паров (CVD). Как только образуются, кристаллы алмаза сливаются, образуя пленку. Она может легко отделиться и переноситься на другие подложки для дальнейших исследований и потенциальных применений, приводят журналисты pronedra.ru объяснения ученых. Измерения синхротронного двумерного рентгеновского дифракционного анализа подтвердили, что пленка имеет очень высокую чистоту алмазной фазы.
Команда также обнаружила, что кремний играет критическую роль в этом новом росте алмаза. Размеры выращенных алмазов становятся меньше, а их плотность выше с увеличением концентрации кремния в сплаве от оптимального значения. Без добавления кремния алмазы вообще не могли быть выращены, что указывает на то, что кремний может быть вовлечен в начальную ядерную реакцию образования алмаза.
В настоящее время этот метод ограничен толщиной всего лишь нескольких сотен нанометров. Исследователи отмечают, что он может найти применение в магнитном зондировании и квантовых вычислениях. Однако они предполагают, что с простыми модификациями его можно улучшить и масштабировать, расширив потенциальный спектр применения.
«Наше открытие ядерного роста алмаза в этом жидком металле увлекательно и предлагает множество захватывающих возможностей для более базовой науки», — отметил Руофф.
