Ученые лаборатории геохимии углерода имени Э. М. Галимова подведомственного Минобрнауки России Института геохимии и аналитической химии (ГЕОХИ) РАН запатентовали способ получения зародышей алмаза в пузырьках пара, образующихся при падении давления в жидкости (кавитация). Новый метод позволит сократить энергетические и материальные затраты на получение материала и существенно уменьшить экологические риски при синтезе продукта. В отличие от взрывного метода синтеза, который сейчас используется на производстве, ученые ГЕОХИ РАН не используют вредные кислоты для очистки продуктов синтеза. Чтобы получать зародыши алмаза с помощью пузырькового метода, ученые также построили специальную установку.
Пузырьковый метод позволяет получить зародыши алмаза нанометрового размера без последующего роста. Как утверждают авторы исследования, именно в нанометровом размере их ценность. Алмазы, созданные в лаборатории, можно использовать в квантовой физике, биологии, материаловедении, например при производстве наконечников для сверл, а также в микроэлектронике, медицинской диагностике для создания нанокомпозитов, катализаторов и т. д.
В настоящее время наиболее распространены два промышленных метода синтеза алмазов: взрывной и осаждения из газовой фазы (CVD). В обоих методах получаются макроматериалы, то есть либо алмазные пленки, либо алмазная шихта. Способ, который предложили ученые ГЕОХИ РАН, позволяет получать раздельные частички алмаза нанометрового размера.
«К уникальным достоинствам предложенного способа и установки можно отнести возможность использования как чистых углеводородных жидкостей, содержащих атомы только углерода и водорода, так и растворимых в воде соединений, содержащих дополнительные или «внешние» атомы кислорода, азота, кремния, бора и другие. Это позволяет синтезировать ультрадисперсные алмазы, с добавленными «внешними» атомами — донорами (или акцепторами), необходимыми для формирования полупроводниковых свойств. Такая возможность открывает новое направление в развитии современной микроэлектроники. Люминесценция, возникающая при добавлении в структуру ультрадисперсных алмазов «внешних» атомов, позволяет рассматривать их как инновационное средство медицинской диагностики на клеточном уровне», — сказал научный сотрудник лаборатории геохимии углерода имени Э. М. Галимова Никита Душенко.
Установка промышленного синтеза, с помощью которой ученые создают зародыши алмаза в пузырьках пара, относительно проста в использовании. Принцип действия такой: насосом запускается поток углеродсодержащей жидкости, в контуре встроено сопло, где возникает кавитация. Установка не требует специальной камеры высокого давления или плазмотрона, в ней используются стандартные компоненты (насос, пневмозадвижка и др.), которые можно использовать без сложного монтажа и условий технического обслуживания. Большая гибкость в выборе углеродсодержащей рабочей жидкости также значительно облегчает условия синтеза и позволяет проще добиваться необходимых размеров и свойств ультрадисперсных алмазов.
На сегодняшний день установка является исследовательским стендом и используется пока только в научных целях. Требуется дальнейшее развитие ключевых узлов установки (сопло) для управляемого синтеза наноалмазов.
Новая работа ученых — это развитие идеи академика Галимова о геохимической роли пузырьков пара, возникающих при движении мантийных жидкостей (флюидов). Эрик Михайлович в 70-е годы выдвинул идею о геологической роли кавитации при движении флюидов в земной коре. Была опубликована статья в авторитетном международном журнале. Первые эксперименты, проведенные в МГТУ имени Баумана на установке, моделирующей условия флюидов (давления), показали возникновение зародышей алмаза. Отличия установки ученых ГЕОХИ — в принципе непрерывного цикла, а не разового воздействия.
Исследования проведены при поддержке Минобрнауки России.
Справка:
Эрик Михайлович Галимов — известный советский ученый, академик РАН. Специалист в области изотопной геологии, органической геохимии и планетологии. Основал научную школу «Глобальный цикл углерода: мантия-кора-океан-атмосфера». На базе исследования изотопного состава алмазов большинства месторождений мира теоретически доказал (1973) и экспериментально подтвердил (2003) возможность образования алмазов в процессе кавитации (кавитационный синтез алмазов). В 1972 году создал в Институте геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского (ГЕОХИ) АН СССР лабораторию геохимии углерода, в 1973 году стал ее заведующим. В конце 1992 года был избран директором ГЕОХИ и возглавлял НИИ до апреля 2015 г.