Вчені навчилися синтезувати алмази за 15 хвилин при нормальному тиску

Вчені з Південної Кореї зробили прорив у галузі синтезу алмазів. Їм вдалося виростити найтвердіші камені в лабораторних умовах всього за 15 хвилин при нормальному тиску. Цей метод відрізняється від традиційних способів отримання синтетичних алмазів.

Група вчених під керівництвом фізико-хіміка Родні Руоффа (Rodney Ruoff) з Інституту фундаментальних наук у Південній Кореї розробила новий метод синтезу алмазів без використання кристала затравки і високого тиску, що значно спрощує «вирощування» каменів. Свої висновки вчені опублікували в журналі Nature.

Відомо, що природні алмази формуються в надрах Землі на глибині десятків кілометрів при величезному тиску в кілька гігапаскалів та температурі понад 1500°C. Подібні природні умови використовуються у методі, який нині застосовується для синтезу 99 % усіх штучних алмазів. Цей метод, який отримав назву «вирощування при високому тиску та високій температурі » (HPHT), використовує екстремальні параметри для перетворення вуглецю в алмаз на основі невеликого кристала затравки.

Однак підтримання такого високого тиску і температури є складним технічним завданням. Крім того, компоненти, що використовуються в процесі, обмежують розмір одержуваних алмазів одним кубічним сантиметром. HPHT до того ж займає чимало часу — близько двох тижнів для вирощування зовсім невеликого каміння.

Інший метод, хімічне осадження з газової фази, усуває деякі недоліки HPHT, такі як високий тиск, але зберігає необхідність використання кристалів затравки.

Нова ж технологія синтезу алмазів, запропонована командою Руоффа, дозволяє позбавитися перерахованих особливостей обох існуючих методів. Метод заснований на використанні нагрітого галію з невеликою кількістю кремнію у графітовому тиглі. Галій був обраний через те, що попередні дослідження показали, що він може каталізувати утворення графену з метану. Тигель поміщали у спеціально розроблену камеру, в якій підтримувався нормальний атмосферний тиск (як на рівні моря) і через неї пропускався екстремально нагрітий метан, збагачений вуглецем. У процесі експериментів дослідники дійшли висновку, що суміш галію, нікелю і заліза у поєднанні з щіпкою кремнію є оптимальною як каталізатор росту алмазів. На дні тигля алмази почали з’являтися вже через 15 хвилин у вигляді алмазної плівки. Спектроскопічний аналіз показав, що ця плівка є досить прозорою з невеликою домішкою атомів кремнію.

Точний механізм утворення алмазів у цьому методі поки не уточнений. Імовірно, температура впливає на рух вуглецю до центру тигля, де він кристалізується і перетворюється на алмазну структуру.

Зазначається, що новий метод має свої недоліки. Одна з проблем полягає в тому, що алмази, що отримуються таким способом, дуже малі — у сотні тисяч разів менше тих, які вирощуються методом HPHT. Через це їх не можна використовувати як коштовності, що носяться. Потенційне застосування цих алмазів у технологічних цілях, наприклад для полірування та свердління, поки що теж під питанням. Однак, оскільки процес протікає за низького тиску, то, за словами Руоффа, він може значно масштабувати синтез алмазів. Протягом кількох років світ може отримати чіткіше уявлення про можливе комерційне застосування цього методу.