Бриллианты сложно сделать. Они образуются в верхней мантии Земли, примерно в ста милях от поверхности, под давлением разрушения черепа и температуры плавления камней. Хотя тиражирование этих условий в лаборатории становится обычным делом, оборудование для этого стоит дорого, и этот процесс может занять от нескольких дней до недель.
Связанный контент
- Нам не хватает 145 углеродосодержащих минералов, и вы можете помочь найти их
- Древние бриллианты пришли из морской воды, и будущие бриллианты могут прийти из воздуха
- Этот африканский завод ведет к алмазным месторождениям
Теперь, после десятилетий испытаний, команда из Университета штата Северная Каролина обнаружила быстрый способ изготовления алмазов, который можно сделать, не сжимая углерод под сильным давлением или не нагревая его с помощью обычной выпечки.
«Преобразование углерода в алмаз было самой долгой целью ученых всего мира», - говорит Джагдиш Нараян, ведущий автор статьи, опубликованной на этой неделе в Журнале прикладной физики .
Удивительно, но в процессе изготовления своих алмазов Нараян и его команда также обнаружили новую фазу углерода, получившую название Q-carbon. Этот причудливый материал даже более твердый, чем алмаз, он магнитный и излучает мягкое свечение. Помимо своей роли в производстве более быстрых и дешевых алмазов, Q-carbon может найти применение в электронных дисплеях и может помочь нашему пониманию магнетизма на других планетах.
Превращение углерода в алмаз требует огромного количества энергии, поэтому ранее считалось, что они образуются только при высоких давлениях и температурах, объясняет геофизик Ребекка Фишер, научный сотрудник Национального музея естественной истории Смитсоновского института, который не принимал участия в исследовании.,
Но, по словам Нараяна, все зависит от скорости. «Благодаря быстрому процессу мы можем по сути обмануть Мать Природу», - говорит он.
Под постоянным давлением в помещении, команда подвергала аморфный углерод, который не имеет кристаллической структуры, чрезвычайно коротким лазерным импульсам. Это нагревало углерод до примерно 6740 градусов по Фаренгейту - для сравнения, поверхность Солнца составляет около 10000 градусов по Фаренгейту.
Затем лужу расплавленного углерода быстро охлаждали или гасили, чтобы образовать новый прочный Q-углерод.
Другие версии углерода демонстрируют совершенно иные свойства - например, мягкий непрозрачный графит и твердые блестящие алмазы - и Q-carbon не является исключением. Например, когда углерод плавится, связи между атомами укорачиваются и они не успевают снова удлиниться, поскольку материал внезапно остывает. Это делает готовый продукт более плотным и твердым, чем алмаз.
Еще более захватывающим является то, что Q-углерод является магнитным при комнатной температуре - один из немногих магнитных углеродных материалов, которые когда-либо производились. И из-за своего особого атомного расположения материал излучает небольшое количество света. Эти свойства могут сделать Q-carbon чрезвычайно ценным для будущих электронных применений.
Его более непосредственное использование, тем не менее, помогает созданию алмазов. Нараян объясняет, что, слегка изменив скорость, с которой расплавленный углерод охлаждается, ученые могут использовать его для выращивания кристаллов алмазов в виде множества форм, таких как наноиглы, микроиглы, нанодоты и пленки.
Изображение крупного плана, показывающее микроалмазы, сделанные с использованием новой техники. (Журнал прикладной физики) Процесс недорогой, отчасти потому, что он использует лазер, который уже популярен для лазерных операций на глазах. Кроме того, метод выращивает алмазы за считанные наносекунды.
«Мы можем сделать карат примерно за 15 минут», - говорит Нараян.
На данный момент, по словам Нараяна, алмазы маленькие - самые большие - примерно 70 микрон, или примерно ширина человеческого волоса. Но он уверен, что процесс может быть ускорен. На данный момент основным пределом размера драгоценного камня является лазер, говорит он, и более широкий луч может сделать бриллианты большего размера.
По словам Фишера, вместо того, чтобы производить крупный камень, этот метод наиболее перспективен для массового производства небольших бенгальских огней.
Крошечные алмазы полезны во многих областях, включая электронику, медицину и абразивные материалы, объясняет физик Кил Бирн, также научный сотрудник Музея естествознания. «Иметь новый способ создания [алмазов] - особенно тот, который избегает значительной части инфраструктуры старых методов - прекрасно», - говорит Бирн.
В настоящее время команда сосредоточена на понимании интригующих свойств Q-углерода, даже предполагая, что это может помочь объяснить магнитные поля других планет, которые, по-видимому, не имеют активных динамо.
Но еще многое предстоит узнать, прежде чем мы сможем проверить эти теории, сказал Бирн: «Это действительно интересное открытие. [Но] что из этого получается - теперь это интересная часть ».
