Это звучит как алхимия: взять немного белой пыли, сжать его в барокамере, а затем взорвать лазером - всего-то! После этого откройте камеру и найдите микроскопическое пятно чистого алмаза.
Новое исследование Стэнфордского университета и SLAC National Accelerator Laboratory показывает, что при точном дозировании температуры и давления этот рецепт может производить алмазы из некоторых видов молекул водорода и углерода, найденных в сырой нефти и природном газе.
"Волнует в этом исследовании то, что оно показывает способ обмана термодинамики для образования алмазов", - сказал Стэнфордский геолог Родни Эвинг, соавтор статьи, опубликованной 21 февраля 2020 года в журнале Science Advances.
Ученые синтезировали алмазы из других материалов более 60 лет, но это преобразование, как правило, требует чудовищных затрат энергии, продолжительного времени или добавления катализатора - металла - который снижает качество конечного продукта. "Мы хотели увидеть просто чистую систему, в которой одно вещество превращается в чистый алмаз - без катализатора", - сказал ведущий автор исследования Сульгийе Парк, постдокторский научный сотрудник Стэнфордской школы наук о Земле, энергетике и окружающей среде (Stanford Earth).
Понимание механизмов этой трансформации будет важно для прикладного применения этой технологии (помимо ювелирного использования). Физические свойства алмаза - экстремальная твердость, оптическая прозрачность, химическая стабильность, высокая теплопроводность - делают его ценным материалом для медицины, промышленности, квантовых вычислительных технологий и биологического зондирования.
Сырьем для превращения служат минералы, атомы которых расположены в той же пространственной схеме, что и атомы, составляющие кристалл алмаза. Они похожи на более мелкие части кристалла алмаза, состоящие из одного, двух или трех элементов, будто замысловатая решетка алмаза была чем-то разрезана.
В отличие от алмаза, который является чистым углеродом, порошки, известные как алмазоиды, также содержат водород. Использование этих "строительных блоков" и позволяет получать алмаз без создания высокого давления и температуры, как в той части толщи Земли, где алмаз образуется естественным путём. Обнаружено, что трехкамерный алмазоид, называемый триамантаном, может реорганизоваться в алмаз с удивительно малой энергией.
Образцы алмазоидов помещаются в камеру размером со сливу, в которой порошок сдавливается с двух сторон двумя полированными алмазами. С помощью простого поворота винта руками устройство может создать почти такое же давление, как в центре Земли.
Далее образцы нагреваются лазером до температуры 900 Кельвин, что соответствует температуре горячей лавы красного цвета. При таком воздействии атомы углерода в триамантане выравниваются, а атомы водорода замещаются углеродом.
Трансформация занимает доли секунды, и является прямой: атомы не проходят стадии других формы углерода, например графита.
На сегодня технология позволяет получать только тонкий алмазный слой. Но дальнейшие исследования могут открыть путь к синтезу крупных кристаллов.