Новини науки

Хіміки з Південної Кореї та Китаю розробили методику отримання штучних алмазів за атмосферного тиску і температури близько 1200 градусів Цельсія. Для синтезу вчені нагрівали сплав із галію, заліза, нікелю і кремнію в графітових тиглях в атмосфері метану і водню. На межі розділу фаз графіт-сплав утворювалися полікристалічні алмазні плівки, пишуть хіміки в Nature.

Фрагмент сплаву з алмазною плівкою на поверхні, Yan Gong et al. / Nature, 2024

Алмаз – одна з алотропних модифікацій вуглецю – побудований із кристалів кубічної сингонії, у структурі яких кожен атом вуглецю розташований у вершині тетраедра, утвореного сусідніми чотирма атомами вуглецю. Завдяки своїй щільній структурі та міцним зв’язкам вуглець-вуглець алмаз має рекордну серед мінералів твердість і зносостійкість.

Природні алмази утворюються в мантії Землі в металевих розплавах за тиску близько п’яти гігапаскалів і температури 900-1400 градусів Цельсія. А отримувати алмази в лабораторії хіміки навчилися в середині минулого століття. Тоді вчені кристалізували алмази з розплаву сульфіду заліза за семи гігапаскалів і 1600 градусів Цельсія. Пізніше виникли й інші методи синтезу – наприклад, за допомогою хімічного осадження з газової фази. Але способів отримання алмазів за атмосферного тиску досі відкрито не було.

A) Загальна схема установки для отримання алмазів. B) Спосіб вимірювання температури тигля та його зовнішній вигляд, Yan Gong et al. / Nature, 2024

Однак хіміки під керівництвом Родні Руоффа (Rodney S. Ruoff) з Інституту фундаментальних наук знайшли спосіб отримання алмазів за атмосферного тиску. Вони змішали в графітовому тиглі злитки заліза і нікелю, рідкий галій і кристалічний кремній у мольному співвідношенні 11:11:77,75:0,25. Далі вчені нагрівали тигель в атмосфері метану і водню в діапазоні температур 1165-1190 градусів Цельсія близько години.

Після охолодження тигля і застигання сплаву вчені спостерігали на поверхні його зіткнення з тиглем райдужну плівку. Щоб відокремити плівку від металу, хіміки розчинили зразок у соляній кислоті. Отриману чисту плівку вони вивчили за допомогою раманівської спектроскопії, електронної мікроскопії та рентгенівської дифракції. У результаті з’ясувалося, що дослідники отримали плівку, що складається з кристалів алмазу розміром у кілька сотень нанометрів.

Щоб зрозуміти, як саме утворюються алмази, хіміки проаналізували склад поверхні металу, що прилягає до поверхні тигля, за допомогою мас-спектрометрії. Так вони дізналися, що через 15 хвилин після досягнення потрібної температури біля поверхні тигля концентрується вуглець. Причому, як показали експерименти з міченим (13CH4) метаном, вуглець переходить у розплав двома способами – під час розкладання газоподібного метану і з графітового тигля. Потім його концентрація в розплаві різко падає через початок кристалізації.

Так вчені розробили зручний спосіб отримання алмазів. На їхню думку, ключову роль у кристалізації алмазів відіграє добавка кремнію. За допомогою фотолюмінесцентних спектрів хіміки виявили в зразках алмазів дефекти кристалічної решітки типу кремній-вакансія (SiV-), які свідчать про те, що саме навколо атомів кремнію утворюються зародки алмазних кристалів.