В природе алмазы формируются глубоко под Землей в течение миллиардов лет. Для этого процесса требуется окружающая среда с чрезвычайно высоким давлением и температурой выше 1000 ℃. Теперь международная группа ученых создала два разных типа алмазов при комнатной температуре — всего за несколько минут. Это первый случай, когда алмазы были успешно произведены в лаборатории без дополнительного нагрева.
Есть более одной формы алмаза
Атомы углерода могут объединяться различными способами с образованием различных материалов, включая мягкий черный графит и твердый прозрачный алмаз.
Есть много хорошо известных форм углерода, подобных графиту, включая графен, самый тонкий из измеренных материалов. Но знаете ли вы, что существует более одного типа материалов на основе углерода, таких как алмазы?
В простом алмазе атомы расположены в кубической кристаллической структуре. Однако также возможно расположить эти атомы углерода так, чтобы они имели гексагональную кристаллическую структуру.
Гексагональная форма алмаза называется лонсдейлит в честь Кэтлин Лонсдейл, ирландского кристаллографа и члена Королевского общества, изучавшего структуру углерода с помощью рентгеновских лучей.
Большой интерес представляет лонсдейлит, прогнозируемый на уровне 58 процентов, тверже обычного алмаза, который считается самым твердым природным материалом на Земле.
Впервые он был обнаружен в природе на месте метеоритного кратера Каньон Диабло в Аризоне. С тех пор небольшое количество материала было синтезировано в лаборатории путем нагревания и сжатия графита с использованием пресса высокого давления или взрывчатых веществ.
Исследования показывают, что и лонсдилит, и обычный алмаз могут быть образованы при комнатной температуре в лаборатории, просто приложив высокое давление.
Есть много способов сделать бриллиант
Алмазы синтезируются в лабораториях с 1954 года. Трейси Холл, работавшая тогда в General Electric, разработала их, используя процесс, имитирующий естественные условия земной коры, добавляя металлические катализаторы, ускоряющие процесс роста.
В результате получаются высокотемпературные алмазы, работающие под высоким давлением, похожие на те, что встречаются в природе, но часто меньше и менее совершенны. Их до сих пор производят, в основном, для промышленных целей.
Еще один важный способ получения алмазов — это химический газовый процесс, в котором маленький алмаз используется в качестве «семени» для выращивания более крупных алмазов. Для этого требуется температура около 800 ℃. Хотя рост происходит относительно медленно, эти алмазы можно вырастить большими и без дефектов.
Природа намекала на другие способы образования алмазов, включая угрожающее воздействие метеоритов на Землю, а также на такие процессы, как быстрое столкновение астероидов в нашей Солнечной системе, создавая то, что мы называем «внеземными алмазами».
Исследователи пытались понять, как именно образуются ударные или внеземные алмазы. Есть некоторые свидетельства того, что помимо высокой температуры и давления, поперечные силы могут играть важную роль в их формировании.
Объект, на который действуют силы сдвига, толкается в одном направлении вверху и в противоположном направлении внизу. Примером может служить толкание колоды карт вверх слева и справа вниз. Это заставит колоду прокрутиться, а карты развернуться.
Производство алмазов при комнатной температуре
Исследователи провели эксперимент, в котором небольшая графитоподобная углеродная крошка подвергалась как экстремальным силам сдвига, так и высокому давлению, чтобы стимулировать образование алмаза.
В отличие от большинства предыдущих работ в этой области, образец углерода не подвергался дополнительному нагреву во время сжатия. С помощью современной электронной микроскопии, метода, используемого для получения изображений с очень высоким разрешением, было обнаружено, что полученный образец содержит как обычный алмаз, так и лонсдейлит.
В этой беспрецедентной композиции тонкая алмазная «река» (примерно в 200 раз меньше человеческого волоса) была окружена лонсдейлским «морем».
Расположение структуры напоминает «полосу сдвига», наблюдаемую в других материалах, где узкая область подвергается интенсивным локализованным напряжениям. Это предполагает, что сдвиговые силы были ключевыми для образования этих алмазов при комнатной температуре.
Безграничные возможности
Возможность изготавливать алмазы при комнатной температуре за считанные минуты открывает множество производственных возможностей.
В частности, получение таким способом лонсдейлита «тверже алмаза» является интересной новостью для отраслей, где требуются чрезвычайно твердые материалы. Например, сверла и лезвия с алмазным покрытием используются для продления срока службы этих инструментов.
Еще одна задача для ученых — снизить давление, необходимое для образования алмазов. Минимальное давление при комнатной температуре в исследовании составляло 80 гигапаскалей. Это эквивалентно 640 африканским слонам на кончике балетной туфельки!
Если бы алмаз и лонсдилит можно было производить при более низком давлении, ученые могли бы производить их больше, быстрее и дешевле.
Дугал Маккалок, профессор Университета RMIT, и Джоди Брэдби, профессор физики Австралийского национального университета.
