Ученые вырастили алмазы с нуля за 15 минут

Ученые использовали новую технику для синтеза алмазов при нормальном атмосферном давлении и без исходного камня, что может значительно упростить выращивание драгоценных камней в лаборатории.

Природные алмазы образуются в мантии Земли, зоне расплава на глубине сотен километров под поверхностью. Процесс происходит при огромном давлении в несколько гигапаскалей и обжигающих температурах, превышающих 1500 градусов Цельсия.

Аналогичные условия используются в методе, который в настоящее время используется для синтеза 99% всех искусственно созданных алмазов. Этот метод, называемый выращиванием при высоком давлении и высокой температуре (HPHT), использует экстремальные настройки для улавливания углерода, растворенного в жидких металлах, для превращения его в алмаз вокруг небольшого затравочного материала, или начального алмаза.

Однако высокие давления и температуры сложно производить и поддерживать. Кроме того, используемые компоненты влияют на размер алмазов, самый крупный из которых составляет около кубического сантиметра, или размером примерно с ягоду черники. Кроме того, HPHT требует довольно много времени — неделю или две — для производства даже самых крошечных драгоценных камней. Другой метод, называемый химическим осаждением из паровой фазы, снимает некоторые условия HPHT, такие как высокое давление. Но другие сохраняются, например, необходимость в затравках.

Новая технология устраняет недостатки обоих процессов синтеза. Команда, возглавляемая Родни Руоффом, физико-химиком из Института фундаментальных наук в Южной Корее, опубликовала свои результаты в журнале Nature.

Для начала исследователи использовали электрически нагретый галлий с небольшим количеством кремния в графитовом тигле.

Галлий был выбран потому, что предыдущее исследование показало, что он может катализировать образование графена из метана. Графен, как и алмаз, представляет собой чистый углерод, но его атомы расположены в одном слое, а не в тетраэдрической ориентации драгоценного камня.

Исследователи поместили тигель в самодельную камеру, в которой поддерживалось атмосферное давление на уровне моря, через которую можно было пропускать сверхгорячий, богатый углеродом газ метан. Эта камера объемом 9 литров может быть подготовлена для экспериментов всего за 15 минут, что позволило команде быстро проводить испытания с различными концентрациями металлов и газов.

Благодаря такой настройке исследователи пришли к выводу, что смесь галлия, никеля и железа в сочетании с небольшим количеством кремния является оптимальной для катализа роста алмазов. Действительно, с помощью этой смеси команда получила алмазы всего за 15 минут. В течение двух с половиной часов образовалась более плотная алмазная пленка. Спектроскопический анализ показал, что эта пленка была в основном чистой, но содержала несколько атомов кремния.

Детали механизма, благодаря которому образовались алмазы, все еще в значительной степени неясны, но исследователи полагают, что падение температуры вытесняет углерод из метана к центру тигля, где он соединяется в алмаз. Кроме того, без кремния алмазы не образуются, поэтому исследователи полагают, что он может выступать в качестве затравки для кристаллизации углерода.

Однако у нового метода есть свои сложности. Одна из проблем заключается в том, что бриллианты, выращенные по этой технологии, крошечные; самые крупные из них в сотни тысяч раз меньше, чем те, которые выращены с помощью HPHT.