Формирование алмаза при комнатной температуре и электронный анализ

В ноябре 2020 года была опубликована статья, в которой сообщалось о синтезе a нанокристаллического алмаза и лонсдейлита при комнатной температуре, что до сих пор считалось невозможным.

Синтез проводился под давлением 80 ГПа из некристаллического углеродного образца-предшественника. Это стало возможным только при высоком давлении и напряжении сдвига, которые "важны для стимулирования фазообразования, поскольку помогают преодолеть кинетические барьеры", говорится в статье.

Результаты исследования основаны на использовании весьма распространенного метода электронной микроскопии, широко применяемого в кристаллографии - экспериментальной области, изучающей расположение атомов в кристаллических твердых телах, в случае данной статьи - алмазе и лонсдейлите.

Алмаз, маленький (или не очень) и драгоценный кусочек блестящего камня, - это не просто дорогое украшение, это еще и чрезвычайно важный материал благодаря своим свойствам, позволяющим использовать его в обычных и экстремальных условиях.

К числу полезных свойств можно отнести чрезвычайную твердость, высокую теплопроводность, возможность применения в биомедицине и др.

Лонсдейлит представляет собой алмазоподобный материал, имеющий незначительные отличия в кристаллической структуре по сравнению с алмазом, в то время как алмаз имеет кубическая кристаллическая структура с тетраэдрически связанным углеродом, в лонсдейлите - с гексагональная кристаллическая структура, менее распространенная форма перестройки.

В большинстве исследований, посвященных синтезу алмаза, говорится о необходимости использования двух форм возбуждения для преодоления высокого кинетического барьера фазовых переходов материала.

Для синтеза алмаза и лонсдейлита в лабораторных условиях обычно используются высокое давление и повышенная температура.

Сегодня ученые располагают диаграммой, показывающей физические состояния некоторого материала в зависимости от температуры и давления, которая называется фазовая диаграмма. Очень известный и Полезный инструмент для ученых, позволяющий узнать, какая температура и давление необходимы для достижения определенного состояния, например, твердого, жидкого или газообразного. В случае атомов углерода графит и алмаз являются двумя примерами твердых состояний.

Если посмотреть на углеродная диаграммаОднако в реальности необходимо учитывать и другие факторы, которые могут сильно повлиять на конечный результат. Одним из таких факторов, упомянутых в статье, является напряжение сдвига.

Напряжение сдвига известно как процесс, при котором параллельные слои проскальзывают друг сквозь друга. Очень простой пример - когда вы складываете руки вместе и начинаете скользить одна по другой - например, когда вам холодно и вы хотите согреть руки - это движение создает напряжение сдвига в руках или в используемом материале.

Напряжение сдвига может способствовать фазовому переходу материалов. Без учета температуры напряжение сдвига оказывается важным компонентом того, как "алмаз может формироваться в гораздо более широком диапазоне сред, как земных, так и внеземных, чем считалось ранее", однако для подтверждения эффектов напряжения сдвига необходимы дополнительные исследования. Образование лонсдейлита также связывают с напряжением сдвига.

Пытаясь получить алмаз и лонсдейлит при комнатной температуре, ученые подвергали образцы стеклоуглерода сжатию 80×10⁹Па - это очень большое давление, гораздо большее, чем то, которое вы испытывали, сдавая обычный тест в колледже.

Это число эквивалентно почти 800-тысячеатмосферному давлению - мы живем только под одной атмосферой.

Ученые проанализировали результаты исследования образцов с помощью трех различных методов электронной микроскопии. Рамановская спектроскопия, рентгеновская дифракция и ТЭМ (просвечивающая электронная микроскопия). Давайте рассмотрим каждый из них.

Сайт Рамановская спектроскопия это метод, позволяющий получить структурный отпечаток конкретного материала с помощью колебательные режимы молекул.

Материал образца взаимодействует с монохроматическим светом - обычно лазерным - поглощая и испуская фотоны неупругого рассеяния, т.е. молекулярные колебания образца поглощают некоторое количество фотонов, причем поглощенное количество отличается от испущенного.

Эта разница обнаруживается, и конечный результат позволяет ученым получить структурную информацию об образце.

Дифракция рентгеновских лучей В этом методе вместо монохроматического света используется электронный пучок. В силу особенностей расположения атомов в кристаллической структуре, когда рентгеновский пучок достигает образца, он дифрагирует под разными углами и в разных направлениях.

Ученые могут измерить эти углы и интенсивность дифрагированного пучка, преобразовав данные в трехмерную картину с указанием положения атомов в кристалле.

Сайт ТЭМ, просвечивающая электронная микроскопия это метод микроскопии, в котором вместо света используется пучок электронов, а также дифракция рентгеновских лучей.

Образец подвергается воздействию пучка, который проходит через него, формируя изображение с помощью детектора флуоресценции.

Этот метод требует пробоподготовки на сетке и считается уклончивым из-за потери образца, его разрушения в процессе анализа.

После попытки получить алмаз исследователи с помощью комбинационного рассеяния света обнаружили, что образцы состоят только из графитового материала.

Однако рентгенограммы показали иной результат, продемонстрировав присутствие лонсдейлита (12%), алмаза (3%) и графита (85%).

Эти расхождения объясняются различиями в каждом из методов. Рамановское излучение способно анализировать только поверхность материалов, в то время как рентгеновская дифракция может проходить через всю толщину образца.

В целом этот результат доказывает, что образование таких твердых материалов, как алмаз, является следствием не только давления и температуры.

И другие факторы могут вызывать образование материала, например, напряжение сдвига или факторы, которые науке пока неизвестны.

Возможно, в будущем, когда эта техника сжатия лучше зарекомендует себя, удешевив производство алмазов, наука сможет в полной мере использовать преимущества этого материала.

_____

Вы уже являетесь Учитывайте график пользователя? Если нет, то можно начать прямо сейчас! Вы также можете нажать здесь чтобы посмотреть нашу галерею научных иллюстраций, вам не нужно начинать свой проект с нуля!

Формирование алмаза при комнатной температуре и электронный анализ

Подпишитесь на нашу рассылку

О Фабрисио Памплоне