Najprej znanstveniki natančno merijo, kako sintetični diamanti rastejo

Calling All Cars: Crime v. Time / One Good Turn Deserves Another / Hang Me Please (Julij 2019).

Anonim

Naravni diamant je ponarejen z izjemnimi pritiski in temperaturami globoko pod zemljo. Toda sintetični diamant lahko gojimo z nukleacijo, kjer drobni deli diamantnega "semena" rastjo večjih kristalov diamanta. Ista stvar se zgodi v oblakih, kjer delci gojijo rast ledenih kristalov, ki se nato prelijejo v dežne kaplje.

Znanstveniki so zdaj prvič opazili, kako diamanti rastejo od semena na atomski ravni in odkrijejo, kako velika bo morala biti semena, da se prepreči proces kristalnega gojenja v overdrive.

Rezultati, objavljeni ta teden v Zborniku Nacionalne akademije znanosti, so razkrili, kako nukleacija poteka ne le v diamantih, temveč v ozračju, v silikonskih kristalih, ki se uporabljajo za računalniške čipe in celo v beljakovinah, ki se združijo v nevrološke bolezni.

"Nuklearna rast je jedro načela znanosti o materialih, in obstaja teorija in formula, ki opisuje, kako se to zgodi v vsakem učbeniku, " pravi Nicholas Melosh, profesor na Univerzi Stanford in oddelek za energetiko, SLAC National Accelerator Laboratory, ki je vodil raziskavo. "Tako opisujemo prehod iz ene faze v drugo, na primer iz tekoče vode v led."

Ampak zanimivo je, "pravi, " kljub široki uporabi tega procesa povsod, teorija za njim nikoli ni bila preskušena eksperimentalno, saj je opazovanje, kako se kristalna rast začne iz atomskih semen, zelo težka. "

Najmanjše možne pike

Dejansko so znanstveniki že dolgo vedeli, da sedanja teorija pogosto precenjuje, koliko energije potrebuje za začetek procesa nukleacije, in precej malo. Spoznali so potencialne načine za uskladitev teorije z resničnostjo, toda doslej so bile te ideje preizkušene samo v sorazmerno velikem obsegu, na primer z molekulami proteinov, ne pa v atomskem obsegu, kjer se začne nukleacija.

Da bi videli, kako deluje na najmanjši lestvici, se je Melosh in njegova ekipa obrnili na diamantoide, najmanjše možne dele diamanta. Najmanjša vsebujejo le 10 ogljikovih atomov. Te pike so v središču programa, ki ga financira DOE na SLAC in Stanfordu, kjer so naravni diamantoidi izolirani iz naftnih tekočin, razvrščeni glede na velikost in obliko ter študijo. Nedavni poskusi kažejo, da bi se lahko med drugim uporabljali kot lego podobni bloki za sestavljanje nanožic ali "molekularnih nakovanj" za sprožanje kemičnih reakcij.

Najnovejši krog poskusov je vodil Stanfordski podoktorski raziskovalec Matthew Gebbie. Zanima ga kemija vmesnikov - krajev, kjer ena faza snovi naleti na drugo, na primer mejo med zrakom in vodo. Izkazalo se je, da so vmesniki izjemno pomembni pri rasti diamantov s postopkom, imenovanim CVD ali kemičnim nanašanjem s paro, ki se pogosto uporablja za izdelavo sintetičnega diamanta za industrijo in nakit.

"Kar sem navdušen je razumeti, kako velikost in oblika ter molekularna struktura vplivata na lastnosti materialov, ki so pomembni za nastajajoče tehnologije, " pravi Gebbie. "To vkljucuje nanosne diamante za uporabo v senzorjih in v kvantnih racunalnikih, ki jih moramo zanesljivo in dosledno visoko kakovostno izvesti".

Diamant ali svinčnik vodi?

Za rast diamanta v laboratoriju s CVD se na površino zasežejo drobni deli zdrobljenega diamanta in so izpostavljeni plazmi - oblaku plina, ki se segreje na tako visoke temperature, da se elektroni odstranijo od njihovih atomov. Plazma vsebuje vodik in ogljik, ki sta potrebna za oblikovanje diamanta.

Ta plazma lahko raztopi seme ali jih raste, pravi Gebbie, in tekmovanje med njima ugotavlja, ali se pojavijo večji kristali. Ker obstaja veliko načinov za pakiranje atomov ogljika v trdno snov, je treba to storiti pod pravimi pogoji; v nasprotnem primeru lahko končate z grafitom, splošno znano kot vodilo svinčnika, namesto bleščic, kar ste bili.

Diamantoidna semena dajejo znanstvenikom veliko finšo raven nadzora nad tem procesom. Čeprav so premajhni, da bi videli neposredno, tudi z najmočnejšimi mikroskopi, jih je mogoče natančno razvrstiti glede na število atomov ogljika, ki ga vsebujejo, in nato kemično pritrjene na površino silicijevega rezina, tako da so pritrjene na mestu, medtem ko izpostavljeni plazmi. Kristali, ki rastejo okoli semen, se sčasoma dobijo dovolj velike, da se računajo pod mikroskopom, in to so raziskovalci naredili.

Čarobno število je 26

Čeprav so bili diamantoidi uporabljeni za gojenje rast diamantov prej, so bili prvi poskusi za preizkušanje učinkov uporabe semen različnih velikosti. Ekipa je odkrila, da je kristalna rast resnično vzletela s semeni, ki vsebujejo najmanj 26 atomov ogljika.

Še pomembnejše, Gebbie pravi, so lahko neposredno merili energijsko oviro, ki jo morajo diamantoidni delci premagati, da bi lahko prešli v kristale.

"Mislil je, da mora biti ta pregrada kot ogromna gora, da atomi ogljika ne bi smeli prečkati - in dejansko že desetletja odprto vprašanje, zakaj bi lahko na prvem mestu postavili diamante" pravi. "Našli smo več kot blagi hrib."

Gebbie dodaja: "To je res temeljna raziskava, toda na koncu dneva, kar smo resnično navdušeni in voziti, je predvidljiv in zanesljiv način za izdelavo diamantnih nanomaterialov. Zdaj, ko smo razvili osnovno znanstveno znanje, potrebno Za to bomo iskali načine, kako te diamantne nanomateriale uporabiti za praktično uporabo. "

menu
menu