Новое исследование Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC показывает, как при тщательной настройке физических параметров можно производить алмазы из молекул водорода и углерода, обнаруженных в сырой нефти и природном газе.
Ученые синтезировали алмазы из других материалов в течение 60 лет, но для превращения обычно требуется чрезмерное количество энергии, времени или добавление катализатора, часто металла, который имеет тенденцию снижать качество конечного продукта.
«Мы же хотели создать такую чистую систему, в которой лишь одно вещество превращается в чистый алмаз без использования какого-либо катализатора», — рассказывает ведущий автор исследования Сульджие Парк.
Подобное преобразование можно применять не только для изготовления ювелирных изделий. Физические свойства алмаза — чрезвычайная твердость, оптическая прозрачность, химическая стабильность, высокая теплопроводность — делают его ценным материалом для медицины, промышленности, технологий квантовых вычислений и биологического зондирования.
Природные алмазы кристаллизуются из углерода на глубине в сотни километров от поверхности Земли, где температура достигает нескольких тысяч градусов. Большинство природных алмазов, обнаруженных до настоящего времени, взлетело вверх в результате извержений вулканов миллионы лет назад, унеся с собой древние минералы из глубин Земли.
Чтобы синтезировать алмазы, исследовательская группа начала с трех типов порошка, извлеченных с поверхности танкеров, перевозящих нефть. «Для эксперимента необходимо небольшое количество порошка, — сказал Мао. — Мы использовали иглу, чтобы немного подцепить порошок под микроскопом для наших экспериментов».
На первый взгляд слегка липкие порошки без запаха напоминают каменную соль. Но с помощью микроскопа можно различить атомы, расположенные по той же пространственной схеме, что и атомы, из которых состоит кристалл алмаза. По сути, это все равно, что разрезать сложную алмазную решетку на более мелкие блоки, состоящие из одной, двух или трех клеток.
В отличие от алмаза, который представляет собой чистый углерод, порошки, известные как диамондоиды, также содержат водород.
«Используя эти строительные “блоки”, — отмечает Мао, — вы можете быстро и легко изготавливать алмазы, а также можете узнать об этом процессе более полно, нежели если бы вы просто имитировали высокое давление и высокую температуру, обнаруженные в той части Земли, где алмаз образуется естественным образом».
Для своего эксперимента исследователи загрузили диамондоиды в барокамеру размером со сливу, называемую ячейкой с алмазной наковальней, которая вдавливает порошок между двумя полированными алмазами. С помощью простого ручного поворота винта устройство может создать давление, существующее в центре Земли.
Затем ученые нагревали образцы с помощью лазера, исследовали результаты с помощью набора тестов и запускали компьютерные модели, чтобы объяснить, как происходит преобразование. Они обнаружили, что трехкомпонентный диамондоид, называемый триамантаном, может реорганизоваться в алмаз с удивительно малой энергией.
При 900 К, что составляет примерно 627 °C, и 20 ГПа, то есть давлении, в сотни тысяч раз превышающем атмосферу Земли, атомы углерода триамантана выравниваются, а водород рассеивается или распадается. Преобразование происходит за доли секунды. Малый размер образца внутри ячейки с алмазной наковальней делает этот подход непрактичным для промышленного синтеза, однако дает ключевые знания о производстве алмазов.