W pierwszej kolejności naukowcy dokładnie mierzą, jak rosną syntetyczne diamenty

Anonim

Naturalny diament jest kuty pod ogromnymi ciśnieniami i temperaturami głęboko pod ziemią. Ale syntetyczny diament może być hodowany przez nukleację, gdzie małe kawałki diamentu "nasiąkają" wzrostem większych diamentowych kryształów. To samo dzieje się w chmurach, gdzie cząsteczki zaszczepiają wzrost kryształków lodu, które następnie topią się w krople deszczu.

Naukowcy zaobserwowali teraz po raz pierwszy, jak diamenty wyrastają z nasion na poziomie atomowym, i odkryli, jak duże muszą być nasiona, aby kopnąć proces uprawy kryształów w nadbieg.

Rezultaty, opublikowane w tym tygodniu w Proceedings of National Academy of Sciences, rzucają światło na to, jak zarodkowanie zachodzi nie tylko w diamentach, ale także w atmosferze, w kryształach krzemu używanych do chipów komputerowych, a nawet w białkach, które gromadzą się w chorobach neurologicznych.

"Wzrost nukleacji jest podstawową nauką o materiałach i istnieje teoria i formuła, które opisują, jak to się dzieje w każdym podręczniku" - mówi Nicholas Melosh, profesor na Uniwersytecie Stanforda i Laboratorium Narodowego Akceleratora Narodowego SLAC w Departamencie Energii, który kierował badaniami. "Tak opisujemy przechodzenie z jednej fazy materialnej do drugiej, na przykład od płynnej wody do lodu".

Ale co ciekawe, mówi, "pomimo powszechnego stosowania tego procesu wszędzie, teoria za nim nigdy nie była testowana eksperymentalnie, ponieważ obserwowanie, jak wzrost kryształów zaczyna się od nasion w skali atomowej, jest niezwykle trudne."

Najmniejsze możliwe drobiny

W rzeczywistości naukowcy od dawna wiedzą, że obecna teoria często zawyża ilość energii potrzebnej do rozpoczęcia procesu zarodkowania i całkiem sporo. Wymyślili potencjalne sposoby pogodzenia teorii z rzeczywistością, ale do tej pory pomysły te były testowane tylko w stosunkowo dużej skali, na przykład za pomocą cząsteczek białka, a nie w skali atomowej, w której zaczyna się zarodkowanie.

Aby zobaczyć, jak to działa w najmniejszej skali, Melosh i jego zespół zwrócił się do diamentów, najdrobniejszych możliwych diamentów. Te najmniejsze zawierają zaledwie 10 atomów węgla. Te drobinki koncentrują się na finansowanym z DOE programie na SLAC i Stanford, gdzie naturalnie występujące diamentoidy są izolowane z płynów ropy naftowej, sortowane według wielkości i kształtu i badane. Ostatnie eksperymenty sugerują, że można je wykorzystać jako klocki podobne do klocków Lego do składania nanoprzewodów lub "kowadeł molekularnych" do wywoływania reakcji chemicznych, między innymi.

Ostatnią rundę eksperymentów prowadził badacz ze Stanford, Matthew Gebbie. Interesuje się chemią interfejsów - miejscami, w których jedna faza materii napotyka inną, na przykład granica między powietrzem a wodą. Okazuje się, że interfejsy są niezwykle ważne w hodowli diamentów w procesie zwanym CVD, czyli chemiczne osadzanie z fazy gazowej, które jest szeroko stosowane do wytwarzania syntetycznego diamentu dla przemysłu i biżuterii.

"Cieszę się, że rozumiem, w jaki sposób rozmiar i kształt oraz struktura molekularna wpływają na właściwości materiałów ważnych dla pojawiających się technologii" - mówi Gebbie. "Dotyczy to nanoskalowych diamentów do zastosowania w czujnikach i komputerach kwantowych, dlatego musimy je wykonywać niezawodnie i przy niezmiennie wysokiej jakości".

Ołowiany ołówkiem czy ołówkiem?

Aby wyhodować diament w laboratorium za pomocą CVD, drobne kawałki rozkruszonego diamentu są wysiewane na powierzchnię i wystawiane na działanie plazmy - chmury gazu nagrzanego do tak wysokich temperatur, że elektrony są usuwane z atomów. Plazma zawiera wodór i węgiel, dwa elementy potrzebne do utworzenia diamentu.

Ta plazma może albo rozpuścić nasiona, albo je wyhodować, mówi Gebbie, a konkurencja między tymi dwoma determinuje, czy tworzą się większe kryształy. Ponieważ istnieje wiele sposobów pakowania atomów węgla w ciało stałe, wszystko to musi być wykonane w odpowiednich warunkach; w przeciwnym razie możesz skończyć z grafitem, powszechnie znanym jako ołówkowy ołów, zamiast świecących rzeczy, których szukasz.

Diamentowe nasiona dają naukowcom dużo lepszy poziom kontroli nad tym procesem. Mimo że są zbyt małe, aby je zobaczyć bezpośrednio, nawet przy użyciu najpotężniejszych mikroskopów, mogą być precyzyjnie sortowane według liczby zawartych w nich atomów węgla, a następnie chemicznie przyczepione do powierzchni płytki krzemowej, dzięki czemu są przymocowane na miejscu podczas być narażonym na działanie plazmy. Kryształy, które rosną wokół nasion, w końcu stają się wystarczająco duże, by liczyć pod mikroskopem, i to właśnie zrobili naukowcy.

Magiczna liczba to 26

Chociaż diamentoidy były wcześniej używane do wysiewania wzrostu diamentów, były to pierwsze eksperymenty sprawdzające efekty stosowania nasion o różnych rozmiarach. Zespół odkrył, że wzrost kryształów rzeczywiście wystartował z nasionami zawierającymi co najmniej 26 atomów węgla.

Co ważniejsze, Gebbie mówi, że byli w stanie bezpośrednio zmierzyć barierę energetyczną, którą diamentoidy muszą pokonać, aby wyrosły na kryształy.

"Uważano, że ta bariera musi być jak gigantyczna góra, której atomy węgla nie powinny przekraczać - i od dziesięcioleci istnieje otwarte pytanie, dlaczego w ogóle moglibyśmy zrobić diamenty", mówi. "To, co znaleźliśmy, przypominało bardziej łagodne wzgórze."

Gebbie dodaje: "To naprawdę fundamentalne badania, ale pod koniec dnia to, na co jesteśmy naprawdę podekscytowani i jedziemy, jest przewidywalnym i niezawodnym sposobem wytwarzania nanomateriałów diamentowych." Teraz, gdy rozwinęliśmy niezbędną wiedzę naukową w tym celu będziemy poszukiwać sposobów na praktyczne zastosowanie tych diamentowych nanomateriałów. "

menu
menu