Esimesena uurivad teadlased täpselt, kuidas sünteetilised teemandid kasvavad

Чародеи 1 серия (1982) (Juuli 2019).

Anonim

Looduslik teemant on sepistatud tohutu rõhuga ja temperatuuriga sügavale maa all. Kuid sünteetilist teemandit võib kasvatada tuumasüntees, kus väikesed teemantide seemned hakkavad kasvama suuremaid teemantkristalle. Sama asi juhtub ka pilvedes, kus osakesed eraldavad jääkristallide kasvu, mis sulatatakse seejärel vihmapilvedeni.

Teadlased on nüüd esimest korda täheldanud, kuidas teemandid kasvavad seemnest aatomi tasemel, ja avastasin, kui suur seemned peavad olema kristallide kasvatamise protsessi lüüa üleküllastamiseks.

Selle nädala teated Rahvusliku Teaduste Akadeemia toimingutes avaldavad tulemusi selle kohta, kuidas tuumalemine toimub mitte ainult teemantides, vaid atmosfääris ka räni kristallides, mida kasutatakse arvutitekiibide ja isegi neuroloogiliste haigustega kokku kogunevates valkudes.

"Tuumakultuuri kasv on materiaalsete teadustegevuse peamine tõekspidamine ja seal on olemas teooria ja valem, mis kirjeldab seda, kuidas see juhtub igas õpikus, " ütleb Nicholas Melosh, Stanfordi ülikooli professor ja uuringu juhtiv energeetikaminister SLAC National Accelerator Laboratory.. "See on see, kuidas me kirjeldame lähemist ühest materjalist faasi teisele, näiteks vedelast veest jääle."

Kuid huvitavamalt ütleb ta: "hoolimata selle protsessi laiaulatuslikust kasutamisest kõikjal, ei olnud selle teooria kunagi katsetatud kunagi katsetatud, sest vaatlemine, kuidas kristallide kasvu algab aatommassist seemned, on äärmiselt raske."

Väikseim võimalik paksus

Tegelikult on teadlased juba pikka aega tuntud, et praegune teooria ületab tihti üle, kui palju energia kulub nukleerimisprotsessi käivitamiseks ja üsna natuke. Nad on välja pakkunud võimalused teooria ja reaalsuse ühitamiseks, kuid siiani on neid ideid katsetatud ainult suhteliselt suurel määral, näiteks proteiini molekulidega, mitte aatomimahul, kus algab tuumastumine.

Meloshi ja tema meeskond pöördusid selle poole, et näha, kuidas see väikseima ulatusega toimib, diamondoideid, väikseid võimalikke teemantide külge. Väikseimad sisaldavad vaid 10 süsinikuaatomit. Need plastikpinnad on SLAC-i ja Stanfordi DOE-i rahastatava programmi keskmes, kus looduslikult esinevad diamondoidsid eraldatakse naftavedelatest, sorteeritakse suuruse ja kujuga ning neid uuritakse. Hiljutised katsed näitavad, et neid võiks kasutada ka Lego-tüüpi plokkidena, mis koosnevad nanovõõglite või "molekulaarsete lõõmade" kokkupanemiseks keemiliste reaktsioonide käivitamiseks.

Viimase katse vooru juhtis Stanfordi doktorikraadi teadlane Matthew Gebbie. Ta on huvitatud liideste keemia - kohtadest, kus üks aine faas kohtub teise, näiteks õhu ja vee piirid. Selgub, et liidesed on äärmiselt olulised kasvavate teemantide puhul protsessiga, mida nimetatakse CVD-deks või keemilise auru sadestamiseks, mida kasutatakse laialdaselt sünteetilise teemandi valmistamiseks tööstuse ja ehete jaoks.

"Mida ma olen põnevil, on mõistmine, kuidas suuruse, kuju ja molekulaarstruktuur mõjutavad uute tehnoloogiate jaoks oluliste materjalide omadusi, " ütleb Gebbie. "See hõlmab ka nanoskaalide teemante, mida kasutatakse sensorites ja kvantarvutuses. Peame neid usaldusväärselt ja pidevalt kõrge kvaliteediga tegema."

Teemant või pliiatsi pliiats?

Laboratoorsel teemantel CVD-dega kasvatamiseks antakse pisikestele purustatud teemandipartiide külvile pinnale sattunud ja plasmaga kokkupuutuvad ained - gaasi pilve, mis on kuumutatud nii kõrgele temperatuurile, et elektronid eralduvad oma aatomitest eemal. Plasma sisaldab vesinikku ja süsinikku, kaks elementi, mis on vajalikud teemandist moodustamiseks.

Gebbie ütleb, et see plasma võib kas seemnest lahustada või kasvatada, ja nende kahe vahel sõlmitud konkurents sõltub sellest, kas suuremad kristallid moodustavad. Kuna süsinikuaatomite pakendamiseks tahkeks on palju võimalusi, tuleb seda teha ainult õigetes tingimustes; muidu võite jõuda lõpuks grafiidi, üldtuntud kui pliiatsi pliit, selle asemel, et sädelevad asjad, mida sa olid pärast.

Diamondoidi seemned annavad teadlastele selle protsessi üle palju suurema kontrolli. Kuigi nad on liiga väikesed, et otse näha ka kõige võimsamate mikroskoopidega, saab neid täpselt sorteerida vastavalt nende sisalduvate süsinikuaatomite arvule ja seejärel keemiliselt kinnitatud räniplaadi pinnale, nii et need on kinnitatud paigale, samal ajal kui kokkupuude plasmaga. Nende seas kasvavad kristallid on lõpuks piisavalt suured, et loendada mikroskoobi all, ja seda teevad teadlased.

Magic number on 26

Kuigi teemandideid kasutati enne teemantide kasvu seemnestamist, olid need esimesed katse erinevate suuruste seemnete kasutamise tagajärgede kontrollimiseks. Meeskond avastas, et kristallide kasvu tõepoolest tõusis seemned, mis sisaldavad vähemalt 26 süsinikuaatomit.

Veelgi olulisem, Gebbie ütleb, nad suutsid otseselt mõõta energiabarjääri, mida diamondoidi osakesed peavad kristallide kasvatamiseks ületama.

"Arvatakse, et see barjäär peab olema nagu hiiglaslik mägi, et süsinikuaatomit ei peaks ületama - ja tegelikult on aastakümneid olnud avatud küsimus, miks me võime isegi teemante teha" ütleb. "Mida me leidsime oli pigem kerge mägi."

Gebbie lisab: "See on tõepoolest fundamentaaluuring, kuid päeva lõpus on see, mida me tõesti põnevil ja mille jaoks on sõitmine etteaimatav ja usaldusväärne viis teemantide nanomaterjalide valmistamiseks. Nüüd oleme välja töötanud vajalikud teaduslikud teadmised Selle eesmärgi saavutamiseks otsime võimalusi nende teemantide nanomaterjalide praktiliseks kasutamiseks. "

menu
menu