Ensinnäkin tiedemiehet tarkastavat tarkasti, kuinka synteettiset timantit kasvavat

Anonim

Luonnonmukainen timantti on väärennetty valtavat paineet ja lämpötilat syvällä maan alla. Synteettistä timanttia voidaan kuitenkin kasvattaa nukleaatiolla, jossa pienet timanttikappaleet "siemenevät" suurempien timanttikiteiden kasvua. Sama pätee pilviin, jossa hiukkaset siemevät jääkiteiden kasvua, joka sitten sulatetaan sadepisaroiksi.

Tutkijat ovat nyt havainneet ensimmäistä kertaa, miten timantit kasvaa siemenistä atomitasolla ja havaitsivat, kuinka suuret siemenet tarvitsevat, jotta kristallin kasvava prosessi saataisiin ylitettäväksi.

Tulokset, jotka julkaistiin tällä viikolla Kansallisen akatemian julkaisuissa, paljastavat, kuinka ydintekniikka etenee pelkästään timanteissa, mutta ilmakehässä silikonikiteissä, joita käytetään tietokonehiutaleissa ja jopa proteiineissa, jotka yhdistyvät neurologisiin sairauksiin.

"Nucleation growth on materiaalitekniikan keskeinen käsite, ja siinä on teoria ja kaava, joka kertoo kuinka tämä tapahtuu kaikissa oppikirjoissa", sanoo Stanford Universityn ja Energian laitoksen SLAC: n National Accelerator Laboratory professori Nicholas Melosh, joka johti tutkimusta. "Me kuvaamme, että menemme yhdestä materiaalisesta vaiheesta toiseen, esimerkiksi nestemäisestä vedestä jään yli."

Mutta mielenkiintoista, hän sanoo, "huolimatta tämän prosessin laaja-alaisesta käytöstä kaikkialla, teoriaa ei ole koskaan kokeiltu kokeellisesti, koska tarkkaileminen siitä, kuinka kristallin kasvu alkaa atomi-asteikkoisista siemenistä, on äärimmäisen vaikeaa."

Pienimmät mahdolliset pisteet

Itse asiassa tiedemiehet ovat tienneet pitkään, että nykyinen teoria usein yliarvioi, kuinka paljon energiaa tarvitaan karsimaan ydintämenetelmää ja melko vähän. He ovat keksineet potentiaalisia tapoja sovittaa teoriat todellisuuteen, mutta tähän asti ideoita on testattu vain suhteellisen laajalla mittakaavalla, esimerkiksi proteiinimolekyyleillä, sen sijaan että atomi- asteikko, jossa ydintekniikka alkaa.

Nähdäksesi, miten se toimii pienimmässä mittakaavassa, Melosh ja hänen tiiminsä kääntyivät diamondoideihin, pienimmät mahdolliset timanttibitit. Pienimmissä on vain 10 hiiliatomia. Nämä pilkut ovat DOE: n rahoittamien ohjelmien painopiste SLAC: ssa ja Stanfordin alueella, jossa luonnossa esiintyvät diamondoidit eristetään öljyesteistä lajiteltuina koon ja muodon mukaan ja tutkittuina. Viimeaikaiset kokeilut viittaavat siihen, että niitä voidaan käyttää Lego-kaltaisina lohkoina nanohampaiden tai "molekulaaristen kelojen" kokoamiseksi muun muassa kemiallisten reaktioiden laukaisemiseksi.

Viimeisin kokeilukokonaisuus johti Stanfordin jatko-opiskelija Matthew Gebbie. Hän on kiinnostunut rajapintojen kemikaaleista - paikoista, joissa yksi aineen vaihe tapaa toisen, esimerkiksi ilman ja veden välisen rajan. On selvää, että rajapinnat ovat uskomattoman tärkeitä kasvaville timanteille, jossa käytetään prosessia nimeltä CVD tai kemiallinen höyrysaostus, jota käytetään laajasti synteettisen timantin valmistukseen teollisuudelle ja koruille.

"Olen innoissani ymmärtämään kuinka koko ja muoto ja molekyylirakenne vaikuttavat materiaalien ominaisuuksiin, jotka ovat tärkeitä uusille teknologioille", Gebbie sanoo. "Se sisältää nanomittakaavan timantteja käytettäväksi antureissa ja kvantti-laskennassa. Meidän on luotava ne luotettavasti ja jatkuvasti laadukkaasti."

Timantti tai lyijykynä?

Jalokivilöytöä laboratoriossa CVD: n avulla pieniä murskattuja timantteja pilkkoutuvat pinnalle ja altistuvat plasmoille - kaasun pilvi, joka lämmitetään sellaisiin korkeisiin lämpötiloihin, että elektronit irrotetaan niiden atomista. Plasmaa sisältää vetyä ja hiiltä, ​​kaksi elementtiä, joita tarvitaan muodostamaan timantti.

Tämä plasmaa voi joko liuottaa siemeniä tai kasvattaa niitä, Gebbie sanoo, ja näiden kahden välinen kilpailu määrittelee, muodostavatko suuremmat kiteet. Koska hiiliatomeja voidaan pakata kiinteään materiaaliin monella tavalla, kaikki on tehtävä vain oikeissa olosuhteissa. muuten voit päätyä grafiittikenttiin, joka tunnetaan yleisesti lyijykynällä, sen sijaan, että tulet hämmästyneisiin juttuihin.

Diamondoid-siemenet antavat tutkijoille paljon hienompaa valvontaa tässä prosessissa. Vaikka ne ovat liian pieniä katsomaan suoraan, jopa voimakkaimmilla mikroskoopilla, ne voidaan tarkasti lajitella niiden sisältämien hiiliatomien määrän mukaan, jotka sitten ovat kemiallisesti kiinnittyneet piikiekon pinnalle, jotta ne kiinnittyisivät paikallaan. altistetaan plasmalle. Siementen ympärille kasvavat kiteet ovat lopulta riittävän suuria laskea mikroskoopin alla, ja näin tutkijat tekivät.

Maaginen numero on 26

Vaikka diamondoideja oli käytetty ennen timanttien kasvua, ne olivat ensimmäisiä kokeita, joilla testattiin eri kokojen siementen vaikutuksia. Tiimi havaitsi, että kristallinkasvu todella nousi siemeniin, joissa oli vähintään 26 hiiliatomia.

Vielä tärkeämpää, Gebbie sanoo, he pystyivät suoraan mittaamaan energiaa, jonka diamondoidipartikkelit joutuvat voittamaan, jotta ne kasvaisivat kiteiksi.

"Ajattelimme, että tämän esteen pitää olla kuin jättimäinen vuoristo, jota hiiliatomeilla ei pitäisi päästä - ja itse asiassa vuosikymmeniä on ollut avoin kysymys siitä, miksi emme voineet edes tehdä timantteja ensiksi." sanoo. "Se, mitä löysimme, oli enemmän lievä mäki."

Gebbie lisää, "Tämä on todella perustavaa laatua olevaa tutkimusta, mutta loppujen lopuksi meillä on todella innoissaan ja ajoissa ajaminen, on ennustettava ja luotettava tapa tehdä nanomateriaaleja. Nyt kun olemme kehittäneet tarvittavan tieteellisen tiedon tehdä niin, etsimme tapoja laittaa nämä nanomateriaalit käytännön käyttöön. "

menu
menu