Новое исследование Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC показывает, как при тщательной настройке физических параметров можно производить алмазы из молекул водорода и углерода, обнаруженных в сырой нефти и природном газе.
Об этом сообщает издание Science Advances.
Физические свойства алмаза — чрезвычайная твердость, оптическая прозрачность, химическая стабильность, высокая теплопроводность — делают его ценным материалом для медицины, промышленности, технологий квантовых вычислений и биологического зондирования.
Природные алмазы кристаллизуются из углерода на глубине в сотни километров от поверхности Земли, где температура достигает нескольких тысяч градусов. Большинство природных алмазов, обнаруженных до настоящего времени, взлетело вверх в результате извержений вулканов миллионы лет назад, унеся с собой древние минералы из глубин Земли.
Синтез алмазов из других веществ — практика, которая существует уже по меньшей мере шестьдесят лет, но до сих пор для этого требовались слишком большие энергозатраты или слишком много времени. Альтернативный способ — применение катализаторов (обычно — металлических), но они, как правило, снижают качество продукта.
«Мы решили разработать чистую систему, которая превращает углерод и водород в алмазы без применения каких-либо катализаторов», — рассказал ведущий автор исследования Сульджие Парк из Стэнфордского университета.
По ее словам, алмазы получались из порошка, который ученые извлекли из нефтяных танкеров.
«На первый взгляд такие порошки похожи на каменную соль, но если рассматривать их через микроскоп, то можно заметить, что атомы расположены по той же схеме, что и в кристаллах алмаза. Нужно просто соединить мелкие блоки в целую алмазную решетку, чтобы получить алмаз. Для этого необходимо подобрать правильные физические параметры, что мы и проделали», — пояснила Парк.
В отличие от алмаза, который представляет собой чистый углерод, порошки, известные как диамондоиды, также содержат водород.
Для своего эксперимента исследователи загрузили диамондоиды в барокамеру размером со сливу, называемую ячейкой с алмазной наковальней, которая вдавливает порошок между двумя полированными алмазами. С помощью простого ручного поворота винта устройство может создать давление, существующее в центре Земли.
Скриншот (advances.sciencemag.org)
Затем ученые нагревали образцы с помощью лазера, исследовали результаты с помощью набора тестов и запускали компьютерные модели, чтобы объяснить, как происходит преобразование. Они обнаружили, что трехкомпонентный диамондоид, называемый триамантаном, может реорганизоваться в алмаз с удивительно малой энергией.
При 900 К, что составляет примерно 627 °C, и 20 ГПа, то есть давлении, в сотни тысяч раз превышающем атмосферу Земли, атомы углерода триамантана выравниваются, а водород рассеивается или распадается. Преобразование происходит за доли секунды. Малый размер образца внутри ячейки с алмазной наковальней делает этот подход непрактичным для промышленного синтеза, однако дает ключевые знания о производстве алмазов.
Напомним, в России добыли крупнейший алмаз желтого цвета. Камень имеет небольшие включения в центральной зоне.
