У гонитві за інноваціями група вчених досягла чогось надзвичайного: вони знайшли спосіб створювати «справжні» алмази за нормальної кімнатної температури та тиску. Цей прорив не тільки усуває потребу в стартовому дорогоцінному камені, але й значно спрощує процес виробництва вирощених у лабораторії діамантів, роблячи його ефективнішим і потенційно доступнішим. Кинувши виклик звичайним методам, це відкриття прокладає шлях до нової ери в синтезі алмазів.
Як природа створює діаманти
Більшість алмазів починають свій шлях на глибині від 90 до 150 миль під поверхнею, в частині земної мантії, де температура піднімається приблизно до 2000 градусів за Фаренгейтом, а тиск неймовірно високий. За таких екстремальних умов атоми вуглецю з’єднуються в унікальну кристалічну структуру, створюючи тверді блискучі дорогоцінні камені, які ми знаємо і любимо.
Але як дістати ці діаманти на поверхню, це вже інша історія. Виверження вулканів мільйони років тому принесли алмази ближче до земної кори в породах, званих кімберлітом або лампроїтом. Ці виверження були схожі на швидкісні ліфти, які рухали алмази вгору досить швидко, щоб зберегти їх цілими в умовах низького тиску.
Сьогодні шахтарі знаходять ці стародавні дорогоцінні камені у вулканічних трубах або руслах річок, куди їх занесла ерозія.
Імітація екстремальних умов у лабораторії
Щоб імітувати ці природні умови в лабораторії, вчені використовували метод росту під високим тиском і високою температурою (HPHT). За допомогою цього методу вони симулювали ті самі екстремальні умови, щоб змусити розчинений вуглець у рідких металах, таких як залізо, перетворитися на алмаз навколо стартового дорогоцінного каменю.
Труднощі вирощування алмазів
Цей підхід має свої обмеження. Неймовірний тиск і тепло непросто досягти або підтримувати в лабораторних умовах. І розмір виготовлених у лабораторії дорогоцінних каменів залишає бажати кращого. Найбільші з них досягають розміру чорниці, і процес займає багато часу. Альтернативні методи, такі як хімічне осадження з парової фази, намагаються усунути деякі обмеження HPHT, такі як потреба у високому тиску, але вимога до початкового алмазу залишається.
Нова методика, розроблена групою під керівництвом Родні Руоффа, фізико-хіміка з Інституту фундаментальної науки в Південній Кореї, усуває деякі недоліки вищезгаданих процесів синтезу. За словами Руоффа, він уже більше десяти років обмірковує нові способи вирощування діамантів, кидаючи виклик традиційному мисленню.
Секрет вирощування діамантів
Метод команди почався з електрично нагрітого галію з невеликою кількістю кремнію в графітовому тиглі. Хоча галій може здатися екзотичним, насправді його вибрали на основі попереднього не пов’язаного дослідження, яке виявило його здатність каталізувати утворення графену, двоюрідного брата вуглецю алмазу.
Команда також винайшла спеціальну камеру, що містить тигель об’ємом 2,4 галона, де очікувала суміш галію та кремнію. Ця тигельна камера, розроблена для роботи під атмосферним тиском на рівні моря, була готова до експерименту лише за 15 хвилин. Це дозволяло швидко та легко змінювати експериментальні газові суміші для визначення оптимальної суміші.
Після численних випробувань вчені виявили, що оптимальна суміш галію, нікелю і заліза з часткою кремнію найефективніше каталізує ріст алмазів. Ще більш вражаючим було те, що алмази з’явилися в основі тигля протягом 15 хвилин, а більш повна алмазна плівка утворилася протягом двох з половиною годин.
Таємниця утворення алмазів
Фактичний механізм, який призводить до утворення алмазів глибоко всередині Землі, ще не повністю зрозумілий. Однак дослідники вважають, що зниження температури сприяє переміщенню вуглецю з метану до центру тигля, де він зливається в алмаз. Здається, процес залежить від кремнію. Без нього не могли б утворитися алмази, що вказує на вирішальну роль, яку він відіграє як зародок для кристалізації вуглецю.
Обмеження нової техніки
Незважаючи на ці захоплюючі досягнення, нова техніка не позбавлена власних обмежень. Алмази, вироблені за допомогою цього методу, мізерні, у сотні тисяч разів менші за алмази, вирощені методом HPHT. Отже, ці алмази занадто малі для ювелірного застосування. Однак їх використання в технологічних цілях, таких як свердління або полірування, є можливістю. Завдяки низькому тиску, який використовується в новому методі, можна значно розширити синтез алмазів.
«Приблизно через рік чи два, світ може мати більш чітку картину таких речей, як можливий комерційний вплив», — оптимістично прогнозує Родні Руофф.
Цей прорив є чудовим відображенням безперервного пошуку інновацій, які розсувають межі та переосмислюють можливе. Інтригуюче відкриття може навіть натякати на нову захоплюючу главу в історії синтетичних дорогоцінних каменів, яка може змінити форму їх виробництва та застосування. Наскільки далеко заведе нас це нововведення, покаже час. Повний текст дослідження опубліковано в журналі Nature.