Новый метод позволяет искусственно получать алмазы из жидкого металлического сплава без применения экстремального давления. Традиционные методы требуют давления около 5 гигапаскалей и температуры около 1400 °C. При давлении всего в 1 атмосферу (0,0001 гигапаскаля) и температуре 1025 °C новый процесс может начать формировать алмазные частицы за 15 минут.
В естественных условиях алмазы образуются в результате кристаллизации углерода в верхней мантии Земли на глубине от 140 до 190 километров. На этой глубине температура и давление экстремальны и колеблются в районе 1400 °C и 4,5-6 гигапаскалей (ГПа). Методы, используемые для производства искусственных алмазов, имитируют эти условия, основываясь на процессе, известном как высокотемпературный процесс высокого давления (HPHT), с использованием исходных материалов на основе углерода и различных сплавов.
Однако этот тип процесса имеет свои ограничения, поскольку такие высокие давления могут быть применены только в лабораторных условиях на относительно небольшой поверхности. Это означает, что размер получаемых алмазов обычно не превышает одного кубического сантиметра.
Исследователи из Института фундаментальной науки (IBS) в Южной Корее предлагают новый метод, который может позволить получать большие объемы в более доступных условиях. Процесс, описанный в журнале , позволил создавать алмазные частицы при давлении всего в 1 атмосферу (0,0001 ГПа) и температуре 1025 °C.
Алмазы, полученные при атмосферном давлении
Чтобы разработать свой процесс, южнокорейские исследователи провели серию экспериментов, включающих несколько сотен настроек параметров. Для этого жидкий сплав галлия, железа, никеля и кремния подвергался воздействию смеси газов, богатых метаном и водородом. Все было помещено в реакционную камеру с внутренним объемом 100 литров.
Однако время образования алмазных частиц значительно замедлилось из-за времени, необходимого для откачки воздуха из камеры (около 3 минут), очистки его инертным газом (90 минут) и закачки обратно (3 минуты) до полного отсутствия газообразных остатков. Следующий шаг — заполнение камеры очищенной водородно-метановой смесью и создание внутреннего давления в 1 атмосферу. Этот последний этап, требующий еще 90 минут, означает, что при таком протоколе для начала производства алмазов потребуется более 3 часов!
Чтобы усовершенствовать методику и сократить время производства, исследователи изменили размер камеры до 9 литров. Это позволило сократить время откачки и заполнения до 15 минут.
Газообразная смесь и жидкий сплав затем подвергаются воздействию температуры 1025 °C. После охлаждения затвердевший сплав представляет собой сплошной узор размером в несколько миллиметров, который дифрагирует свет в 7 цветах, как натуральный кристалл. Проведя анализ, эксперты обнаружили, что этот кристаллический узор состоит из высокоочищенных частиц алмаза. После формирования полученная алмазная пленка может быть легко удалена и перенесена на другие подложки для дальнейшего использования.
Очень гибкий метод
Интересно, что метод позволяет получать алмазы без использования дополнительных алмазных частиц или других частиц-предшественников. Традиционные методы HPHT требуют использования предшественников для запуска реакции алмазообразования.
Кроме того, команда обнаружила, что кремний играет существенную роль в размере конечных продуктов. Если увеличить концентрацию кремния в сплаве, то размер получаемого алмаза уменьшается, а его плотность становится выше. Это происходит потому, что кремний способствует образованию и стабилизации кластеров атомов углерода, из которых состоит алмаз. Это позволяет предположить, что кластеры, содержащие атомы кремния, могут выступать в качестве "пре-ядер", приводящих к образованию частиц алмаза. По оценкам исследователей, размер этих начальных ядер составляет от 20 до 50 атомов углерода.
Кроме того, исследователи обнаружили, что их метод обеспечивает значительную гибкость состава жидких сплавов, что редко достигается при использовании традиционных технологий производства. Например, можно использовать сплав галлий-никель-железо-кремний, заменить никель кобальтом или заменить галлий смесью галлий-индий. Помимо метана, можно также использовать широкий спектр газообразных предшественников.
Такая гибкость позволит варьировать качество и свойства получаемых продуктов, адаптируя их к каждому случаю использования. "Наше открытие зарождения и роста алмаза в жидком металле восхищает и открывает множество захватывающих возможностей", — говорит в пресс-релизе соавтор исследования Род Руофф (Rod RUOFF), директор Центра многомерных углеродных материалов (CMCM) при IBS.
На самом деле, область применения не ограничивается только ювелирным рынком, но и технологиями, связанными с изучением субатомных частиц и магнитных полей, а также квантовыми вычислениями. Будущие исследования команды будут включать в себя дальнейшее изучение начальной стадии формирования алмазных частиц с целью потенциального улучшения и ускорения технологии производства.