Тепло и давление превращают молекулу ископаемого топлива в чистые алмазы.

Тщательная настройка температуры и давления позволяет производить чистые алмазы из молекул водорода и углерода, обнаруженных в сырой нефти и природном газе, показали новые исследования.

«Что интересно в этой статье, так это то, что она демонстрирует способ обмана термодинамики того, что обычно требуется для образования алмазов», — говорит Родни Юинг, профессор физической ядерной безопасности в Стэнфордском университете и соавтор статьи в журнале Science Advances.

Ученые синтезировали алмазы из других материалов в течение более 60 лет, но для превращения обычно требуется чрезмерное количество энергии, время или добавление катализатора — часто металла — который имеет тенденцию снижать качество конечного продукта.

«Мы хотели видеть только чистую систему, в которой одно вещество превращается в чистый алмаз — без катализатора», — говорит ведущий автор Сулгие Парк, научный сотрудник в Стэнфордской школе наук о Земле, энергии и окружающей среде (Стэнфордская Земля).

Понимание механизмов этого преобразования будет важно для приложений, выходящих за рамки ювелирных изделий. Физические свойства алмаза — чрезвычайная твердость, оптическая прозрачность, химическая стабильность и высокая теплопроводность — делают его ценным материалом для медицины, промышленности, технологий квантовых вычислений и биологического зондирования.

«Если вы можете сделать даже небольшое количество этого чистого алмаза, то вы можете легировать его контролируемыми способами для конкретных применений», — говорит старший автор Ю. Лин, научный сотрудник Стэнфордского института материаловедения и энергетики (SIMES) в SLAC National. Ускорительная лаборатория.

РЕЦЕПТ ЧИСТЫХ БРИЛЛИАНТОВ

Природные алмазы кристаллизуются из углерода в сотнях миль от поверхности Земли, где температура достигает тысяч градусов по Фаренгейту. Большинство природных алмазов, обнаруженных до настоящего времени, взлетело вверх в результате извержений вулканов миллионы лет назад, унося с собой древние минералы из глубин Земли.

В результате алмазы могут обеспечить понимание условий и материалов, которые существуют во внутренней части планеты. «Алмазы — это сосуды для сбора образцов из самых глубоких уголков Земли», — говорит Венди Мао, профессор геологических наук и фотоники, возглавляющая лабораторию, в которой Парк выполнил большую часть экспериментов исследования.

Чтобы синтезировать алмазы, исследовательская группа начала с трех типов порошка, очищенного от танкеров, полных нефти. «Это небольшое количество», — говорит Мао. «Мы используем иголку, чтобы немного подцепить ее, чтобы взять ее под микроскоп для наших экспериментов».

На первый взгляд, слегка липкие порошки без запаха напоминают каменную соль. Но опытный глаз, смотрящий через мощный микроскоп, может различить атомы, расположенные по той же пространственной схеме, что и атомы, из которых состоит кристалл алмаза. Это, как если бы сложная алмазная решетка была разрезана на более мелкие блоки, состоящие из одной, двух или трех клеток.

В отличие от алмаза, который представляет собой чистый углерод, порошки, известные как диамондоиды, также содержат водород. «Начиная с этих строительных блоков, вы можете делать алмаз быстрее и проще, и вы также можете узнать о процессе более полно и продуманно, чем если бы вы просто имитировали высокое давление и высокую температуру, найденные в той части Земли, где алмаз образуется естественно».

ПОВЫШЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ

Исследователи загрузили образцы алмазоида в камеру давления 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, которое вы можете обнаружить в центре Земли.

Затем они нагревали образцы с помощью лазера, исследовали результаты с помощью набора тестов и запускали компьютерные модели, чтобы помочь объяснить, как происходило преобразование.

«Основной вопрос, на который мы попытались ответить, заключается в том, влияет ли структура или количество клеток на то, как диамондоиды превращаются в алмаз», — говорит Лин. Они обнаружили, что трехкомпонентный диамондоид, называемый триамантаном, может реорганизоваться в алмаз с удивительно малой энергией.

При 900 Кельвинах — примерно 1160 градусов по Фаренгейту, или температуре раскаленной лавы — и 20 гигапаскалях, при давлении в сотни тысяч раз превышающем атмосферу Земли, атомы углерода триамантана выравниваются, а водород рассеивается или падает.

Преобразование разворачивается за доли секунды. Это также прямо: атомы не проходят через другую форму углерода, такую ​​как графит, на пути к производству алмаза.

По словам Мао, малый размер образца внутри ячейки с алмазной наковальней делает этот подход непрактичным для синтеза гораздо большего, чем алмазных пятен, полученных исследователями в лаборатории. «Но теперь мы знаем немного больше о ключах к производству чистых бриллиантов».

Юинг также является старшим научным сотрудником Института международных исследований Фримена Спогли и Института энергетики Прекурта. Дополнительными соавторами являются Центр перспективных исследований в области науки и техники высокого давления в Пекине, Китай, и Центр перспективных источников излучения в Чикагском университете. Министерство энергетики США поддержало эту работу.

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

два × 5 =