Немецкие физики разработали способ получения наноалмазов из обычного пластика с помощью мощных лазерных импульсов. В эксперименте удалось не только создать алмазные кристаллы диаметром около 3 нанометров, но и впервые собрать их неповреждёнными после воздействия экстремального давления и температуры. Каждый такой кристалл содержит примерно 3000 атомов углерода. Технология может открыть новые возможности для производства сверхмалых алмазных частиц, востребованных в медицине, электронике и материаловедении.
Исследование провели специалисты Центра имени Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) и Ростокского университета в Германии. Эксперименты состоялись на лазерной установке Extreme Light Infrastructure (ELI), расположенной неподалёку от Праги. Для получения алмазов учёные использовали полиэтилентерефталат (ПЭТ) — распространённый пластик, из которого изготавливают бутылки, упаковку и другие изделия.
Исследование началось с попыток воспроизвести в лаборатории условия, существующие в глубинах Урана и Нептуна. При огромном давлении и температуре в несколько тысяч градусов углерод может образовывать алмазные кристаллы. Ранее физикам уже удавалось получать наноалмазы при воздействии мощных лазерных импульсов на пластик. Однако тогда кристаллы удавалось наблюдать лишь в течение короткого времени, и исследователи не могли установить, сохраняются ли они после завершения эксперимента.
В новом эксперименте исследователи направляли мощные лазерные импульсы на плёнку ПЭТ толщиной 100 микрометров. Каждый импульс создавал ударную волну, которая сжимала пластик до давления около 100 гигапаскалей. Это почти в миллион раз больше нормального атмосферного давления. Температура при этом достигала примерно 3700 градусов Цельсия.
Под действием таких условий структура вещества изменялась, а содержащийся в пластике углерод образовывал мельчайшие алмазные кристаллы. Лазерная установка производила три импульса в минуту, позволяя последовательно обрабатывать различные участки плёнки.
Главная сложность заключалась в сохранении полученных частиц. После выхода ударной волны из пластика в вакуум наноалмазы разгонялись до скорости более 10 километров в секунду. Столкновение с обычной твёрдой поверхностью могло разрушить кристаллы, поэтому исследователи разработали специальную систему их улавливания.
В качестве принимающего материала использовали мягкий водорастворимый ионный гель, способный работать в вакууме. Он позволял замедлять частицы и сохранять их структуру. После эксперимента гель растворяли, а собранные алмазы очищали и исследовали под электронным микроскопом.
По оценкам исследователей, каждый лазерный импульс позволяет получить около 10 триллионов наноалмазов. Однако из-за чрезвычайно малых размеров их суммарная масса остаётся небольшой. Для сбора нескольких сотен микрограммов материала потребовалось примерно 100 лазерных импульсов.
Исследование полученных образцов показало, что средний диаметр кристаллов составляет около 3 нанометров, а разброс размеров не превышает 1 нанометра. Частицы отличаются высокой чистотой, что делает их особенно интересными для применения в современных технологиях. Их структуру изучили с помощью электронного микроскопа ELMI-MV в Ростокском университете, позволяющего различать отдельные атомы.
Традиционные методы получения наноалмазов, включая взрывной синтез, не всегда обеспечивают столь небольшие размеры и однородность частиц. Лазерная технология позволяет лучше контролировать условия образования кристаллов и потенциально получать материал с заранее заданными характеристиками.
Наноалмазы уже применяются в шлифовальных и полировальных материалах благодаря высокой твёрдости и устойчивости к нагреву. Однако частицы диаметром всего несколько нанометров представляют интерес и для более сложных технологий, включая квантовые датчики, медицинские контрастные вещества и катализаторы химических реакций.
Чем меньше частицы, тем больше их общая поверхность при одинаковой массе материала. Это свойство может повысить эффективность катализаторов, например в процессах преобразования углекислого газа с использованием солнечного света. Кроме того, при синтезе из пластика исследователи рассчитывают вводить в кристаллы атомы других элементов, чтобы изменять их свойства. Такой подход может оказаться полезным при создании квантовых сенсоров и новых контрастных веществ для магнитно-резонансной томографии.
Пока технология остаётся лабораторной. Для её промышленного применения необходимо значительно увеличить выход готового материала и оценить энергозатраты на производство. Следующая цель исследователей — довести количество получаемых алмазов до миллиграммов, используя более производительные лазерные системы.
Учёные также планируют применить этот метод для получения BC8 — гипотетической кристаллической формы углерода, которая, согласно расчётам, должна быть плотнее алмаза, обладать сопоставимой твёрдостью и меньшей хрупкостью. Первые эксперименты по её синтезу при ещё более высоком давлении запланированы на ноябрь 2026 года.
Исследование в журнале Diamond and Related Materials.